Пошук альтернативних джерел, які забезпечують енергією багато сфер людської діяльності, став останнім часом актуальним завданням. Люди прагнуть активніше використовувати енергію сонця, вітру, джерел води, щоб знизити витрати на вирішення проблем, пов'язаних із теплопостачанням будівель. При цьому питання екології має важливе значення, оскільки зменшення шкідливих викидів, що забруднюють атмосферу, важливе як ніколи.

Для створення сприятливих та комфортних умов проживання у житлово-побутовому секторі в останні роки почали застосовувати вітрогенератори, сонячні колектори, економні теплогенератори одночасно з реалізацією заходів, що допомагають підвищити теплоізоляцію об'єкта теплопостачання.

На думку фахівців, які працюють у цій сфері, ефективним та економічним заходом вважається використання геотермальних джерел теплової енергії – спеціальних насосів. Їх важливий пристрій дозволяє витягувати тепло з навколишнього середовища, трансформувати його і переміщати до місця застосування (детальніше: ).

Джерелами енергії для теплових насосів виступають вода, повітря, грунт, а процес вироблення тепла відбувається через використання фізичних властивостей деяких речовин, які називаються холодоагентами. Вони здатні закипати навіть за низьких температур.

Порядок розрахунку теплових насосів

Результат обчислень залежить в основному від індивідуальних особливостей будови, що обігрівається, і складається з декількох етапів:

1. Насамперед визначають втрати тепла, що відбуваються через огороджувальні конструкції будівлі (до них відносяться вікна, двері, стіни, перекриття). Для цього користуються такою формулою:
   
   Qок = Sх(tвн - tнар)х (1 + Σ β) х n / Rт (Вт), деS – сума площ усіх конструкцій, що захищають (м²);
   tвн – температура повітря усередині будівлі (°С);
   tнар – температура повітря зовні (С);
   
   n - коефіцієнт, що відображає вплив навколишнього простору на властивості будови. Якщо приміщення безпосередньо контактує із зовнішнім середовищем за допомогою перекриття, то даний показник дорівнює 1. Коли об'єкт має горищні перекриття, п дорівнює 0,9. Якщо об'єкт перебуває над підвальним приміщенням, коефіцієнт становить 0,75 (детальніше: " " ).
   β – коефіцієнт додаткових тепловтрат, що залежить від типу споруди та її географічного розташування. Даний показник, коли провадиться розрахунок теплового насоса, знаходиться в інтервалі від 0,05 до 0,27;Rт – це показник теплоопору, що визначається за такою формулою:Rт = 1/ α всередину + Σ (δі / λі) + 1/ α нар (м²х ° С / Вт), де:α внутр – коефіцієнт, що характеризує теплове поглинання внутрішніх поверхонь конструкцій огорожі (Вт/м²х°С);
   δі / λі – є розрахунковим показником теплопровідності матеріалів, що застосовуються під час будівництва;
   α нар – величина теплового розсіювання зовнішніх поверхонь конструкцій огорожі (Вт/м²х°С);
2. Далі, щоб розрахувати теплові насоси, застосовують формулу для визначеннясумарних втрат тепла будови:
   
   Qт.пот = Qок + Qі - Qбп, де:
   
   Qі – витрати на підігрів повітря, що надходить через природні нещільні місця;
   Qбп - виділення тепла внаслідок роботи побутових приладів та людської діяльності.
3. На даному етапі розраховують споживану теплову енергію для кожного з об'єктів протягом року:Qгод = 24х0.63хQт. пот.х((dх (tвн - tнар.пор.)/(tвн - tнар.)) кВт/год), де:
   tнар.ср - середньоарифметичне значення температур, що фіксуються у зовнішнього повітря протягом усього опалювального періоду;
   d – кількість днів у опалювальному сезоні.
4. Потім потрібно визначити теплову потужність, необхідну для розігріву води протягом року, для чого використовують вираз:
   
   Qгв = V х17 (кВт/годину за календарний рік), де
   V х17 – щоденний об'єм нагрівання води до 50 °С.
5. Сумарне споживання теплової енергії визначають за такою формулою:
   
   Q = Qгв + Qгод (кВт/год за один рік)

1,1 є коригувальним коефіцієнтом, оскільки у разі виникнення критичних температур можливе збільшення навантажень на тепловий насос.

Коли зроблено необхідні розрахунки, нескладно підібрати потрібний для даного приміщення тепловий насос, який забезпечить комфортний мікроклімат у ньому для людей, що знаходяться в кімнаті.

Як розрахувати витрати на опалення заміського будинку?

Розрахунки здійснюються на основі таких параметрів:

Перший параметр – витрати на експлуатацію. Для визначення цих витрат варто враховувати вартість палива, яке використовуватиметься з метою отримання тепла. Цей пункт також включає витрати на обслуговування. Найбільш вигідним за цим параметром буде опалення, енергоносієм якого буде підведений магістральний газ. Наступним за ефективністю стоїть ТЕПЛОВИЙ НАСОС.

Другим параметром можна виділити витрати на закупівлю обладнання та його встановлення. Найбільш вигідним та економічним на етапі закупівлі та встановлення буде придбання електричного котла. Максимальні витрати очікують, якщо ви наважитеся на придбання котлів, де енергоносіями є скраплений газ у газгольдерах або дизельне паливо. Тут теж оптимальним є ТЕПЛОВИЙ НАСОС.

Третім параметром варто вважати зручність під час використання опалювального обладнання. Твердопаливні котли в даному випадку можна відзначити як найвибагливіші до уваги. Вони вимагають вашої присутності та довантаження палива, в той час як електричні та працюючі від підведеного магістрального газу працюють самостійно. Тому газові та електричні котли найкомфортніші у використанні при опаленні заміських будинків. І тут ТЕПЛОВИЙ НАСОС має перевагу. Клімат контроль - ось найкомфортніші характеристики теплових насосів.

На сьогоднішній день у московській області склалася наступна цінова ситуація... Підключення газу до приватних будинків коштує близько 600 тис. рублів. Також потрібні проектні роботи та відповідні погодження, які часом розтягуються на роки і теж коштують гроші. Додайте сюди вартість обладнання і порівняно невеликий термін його зносу (через це газовики і пропонують потужніші газові котли, щоб знос-вигоряння котла відбувався довше). Опалення ж на теплових насосах вже можна порівняти з вищезгаданою ціною, але не вимагає ніяких погоджень. Тепловий насос це звичайний електричний побутовий прилад, який витрачає в 4 рази менше електрики, ніж звичайний електричний котел і до того ж є також пристроєм клімат контролю, тобто кондиціонером. Моторесурс сучасних теплових насосів, а тим паче якісних (преміум клас), дозволяє їм працювати понад 20 років.

Наведемо приклади розрахунку теплових насосів для різних типів та розмірів будинків.

Для початку необхідно визначитися з втратами Вашої будівлі залежно від регіону розташування. Читайте далі у "Повна новина"

Перш за все необхідно визначитися з потужністю теплового насоса або котла, так як це одна з вирішальних технічних характеристик. Вона вибирається виходячи з величини тепловтрат будівлі. Розрахунок теплового балансу будинку, що враховує особливості його конструкції, повинен проводитися фахівцем, однак для приблизної оцінки цього параметра, якщо домобудівництво спроектовано з урахуванням будівельних нормативів, можна скористатися такою формулою:
Q = k V ΔT
1 кВт/год = 860 ккал/год
Де
Q - тепловтрати, (ккал/год)
V - об'єм приміщення (довжина × ширина × висота), м3;
ΔT - максимальний перепад між температурою повітря ззовні та всередині приміщення в зимовий час, °С;
k – узагальнений коефіцієнт теплопередачі будівлі;
k = 3 ... 4 - будівля з дощок;
k = 2…3 - стінки з цеглини в один шар;
k min-max = 1 ... 2 - стандартна кладка (цегла в два шари);

k = 0,6 ... 1 - добре утеплена будівля;

Приклад розрахунку потужності газового котла для Вашої оселі:

Для будівлі об'ємом V = 10м 10м 3м = 300 м3;

Тепловтрати цегляної будівлі (k max = 2) становитимуть:
Q = 2 × 300 × 50 = 30000 ккал / год = 30000 / 860 = 35 кВт
Це і буде необхідна мінімальна потужність котла, розрахована по максимуму.

Зазвичай вибирається 1,5 кратний запас потужності, однак, слід враховувати такі фактори, як вентиляція приміщення, що постійно працює, відкриті кватирки і двері, велика площа скління і т.д. Якщо планується використовувати двоконтурний котел (обігрів приміщення та подача гарячої води), його потужність має бути ще збільшена на 10 - 40%. Додаток залежить від величини витрати гарячої води.

Приклад розрахунку потужності теплового насоса для Вашої оселі:

При ΔT = (Твн - Тнар) = 20 - (-30) = 50 ° С;
Тепловтрати цегляної будівлі (k min = 1) становитимуть:
Q = 1 × 300 × 50 = 15000 ккал / год = 30000 / 860 = 17 кВт
Це і буде необхідна мінімальна потужність котла, розрахована по мінімуму, тому що в тепловому насосі немає вигоряння і ресурс залежить від його моторесурсу і циклування протягом дня.

Так ось: Вам треба, щоб тепловий насос тактував 3-5 разів на годину.
тобто. 17 кВт / год -3 такту

Потрібна буферна ємність - 3 такти - 30 л/кВт; 5 тактів – 20 л/кВт.

17 кВт * 30л = 500л акумулююча ємність! Розрахунки зразкові, ось тут великий акумулятор це добре, але на практиці ставлять 200 літрів.

Тепер розрахуємо вартість теплового насоса та його монтажу для Вашої оселі:

Об'ємом будівлі той же V = 10м × 10м × 3м = 300 м3;
Орієнтовна потужність нами розрахована -17кВт. У різних виробників різна лінійка потужностей, тому підберіть тепловий насос за якістю та вартістю разом з нашими консультантами. Наприклад, у Waterkotte це тепловий насос 18кВт, а можна поставити і 15кВт, тому що при недостатності потужності є піковий доводчик на 6кВт у кожному тепловому насосі. Піковий догрівання відбувається порівняно не довго і тому переплачувати за тепловий насос немає необхідності. Отже можете вибрати і 15 кВт, тому що короткостроково 15+6=21кВт - це вище за Ваші потреби в теплі.

Зупинимося на 18 кВт. Вартість теплового насоса уточнюйте у консультантів, оскільки сьогодні умови доставки "м'яко кажучи" не передбачувані. Тому на сайті представлений заводський.

Якщо Ви знаходитесь в південних регіонах, то втрати Вашого будинку, виходячи з перерахованих вище розрахунків, будуть меншими, оскільки ΔT = (Твн - Тнар) = 20 - (-10) = 30 ° С. а то й ΔT = (Твн - Тнар) = 20 - (-0) = 20 ° С. Тепловий насос можете вибрати меншу потужність і до того ж за принципом роботи "повітря-вода". Наші повітряні теплові насоси працюють ефективно до -25 градусів і відповідно не потрібні бурові роботи.

У середній смузі Росії та в Сибіру набагато ефективніше геотермальні теплові насоси, що працюють за принципом "вода-вода".

Бурові роботи для геотермального поля коштуватимуть по-різному, залежно від регіону. У московській області розрахунок вартості наступний:

Беремо потужність нашого теплового насоса -18 кВт. Електричне споживання такого геотермального теплового насоса приблизно 18/4=4,5 кВт/год. з розетки. У Waterkotte ще менше (ця характеристика називається СОР. У теплових насосів Waterkotte COP дорівнює 5 і більше). За законом збереження потужності електрична потужність передається в систему, перетворюючись на теплову. Недостатню потужність ми отримуємо з геотермального джерела, тобто з зондів, які необхідно пробурити. 18-4,5 = 13,5кВт із Землі наприклад (оскільки джерелом у разі може бути і горизонтальний колектор, і ставок тощо.).

Тепловіддача ґрунтів у різних місцях, навіть у московській області – різна. У середньому від 30 до 60Вт на 1 м.п., залежно від вологості ґрунту.

13,5 кВт або 13500Вт ділимо на тепловіддачу. в середньому це 50Вт тому 13 500/50 = 270 метрів. Бурові роботи коштують загалом 1200руб/м.п. Отримуємо 270 * 1200 = 324000руб. під ключ із введенням у теплопункт.

Вартість теплового насоса економ класу = 6-7тис доларів. тобто. 180-200тис рублів

Вартість ВСЬОГО 324тис +180тис = 504тис рублів

Додати вартість монтажу і вартість теплоакумулятора і отримайте трохи більше 600 тис рублів, що можна порівняти з вартістю підведення магістрального газу. Що й потрібно було довести.

Використання низькопотенційного тепла навколишнього середовища для підігріву води та опалення стає економічно вигідним при тривалому використанні системи. Перешкодою поширенню подібних пристроїв є висока початкова вартість устаткування та його установки. Тому завжди актуальним є повний або частковий монтаж теплового насоса своїми руками, що дозволяє заощадити значні кошти.

Мал. 1 Тепловий насос вода-вода в будинку

При створенні теплових насосів для опалення використовується природне низькопотенційне тепло повітряних мас, ґрунту та води. Водяні види поглинають теплову енергію зі свердловин, колодязів, ставків та інших відкритих водойм. Тепловий насос працює подібно до холодильника, який забирає тепло з холодильної камери і виводить його назовні через зовнішній радіатор.

При монтажі первинний теплообмінник з циркулюючим теплоносієм поміщають у ємність із водою, з якої забирається тепло. Вода всмоктується водяною помпою, проходить системою труб і далі надходить у випарник - у пристрої при нагріванні рідини відбувається її випаровування. У випарнику теплоносій передає тепло фреону, для якого невелика позитивна температура 6 - 8 є точкою кипіння, і газоподібний холодоагент надходить в компресор.

Там відбувається його стиск, що призводить до підвищення температури газу і подальша подача в конденсатор. У конденсаторі теплова енергія від газу з температурою 40 - 70 С передається воді в системі опалення, охолоджений газ конденсується і потрапляє в редукційний клапан (дросель). Його тиск знижується - це призводить до більшого охолодження газу до рідкого стану, в якому він знову подається у випарник. Система працює у круговому замкнутому циклічному режимі.

Розрахунок теплового насосу

Для конструкції системи своїми руками насамперед необхідно виконати розрахунок з урахуванням потреб у тепловій енергії (насоси можуть додатково використовуватися для забезпечення гарячого водопостачання будинку) та можливих втрат. Алгоритм розрахунку складається з наступних операцій.

1. Обчислюється площа опалювального приміщення.
2. На основі отриманих значень визначається загальна кількість енергії, необхідної для опалення виходячи з розрахунку 70 - 100 Вт на квадратний метр. Параметр залежить від висоти стель, матеріалу виготовлення та ступеня теплопровідності будинку.
3. Забезпечуючи гаряче водопостачання отримане значення збільшують на 15 — 20 %.
4. Виходячи з отриманої потужності вибирається компресор, проводиться розрахунок та проектування основних вузлів системи: трубопровідної магістралі, випарника, конденсатора, електричної помпи та інших вузлів.

Комплектуючі для опалення з тепловим насосом при самостійному виготовленні.

Звичайному домовласнику досить складно конкурувати з промисловими тепловими насосами вітчизняного та зарубіжного виробника, проте його монтаж та виготовлення окремих вузлів не є нездійсненними роботами. Основним завданням при влаштуванні теплового насоса залишається правильність розрахунків, адже при помилці система може мати низький ККД та стати неефективною.

Компресор

Для монтажу знадобиться новий або б.в. компресор у робочому стані з невиробленим ресурсом відповідної потужності. Звичайна потужність компресора повинна становити 20 - 30% від розрахункової, можна використовувати стандартні заводські агрегати для холодильників або кондиціонерів спірального принципу дії, що володіють вищим ККД у порівнянні з поршневими пристроями.

Випарник та конденсатор

Для охолодження та нагрівання рідин їх зазвичай пропускають через мідні труби, поміщені в ємність із теплообмінником. Для збільшення площі охолодження мідна труба розташовується у вигляді спіралі, необхідна довжина розраховується за формулою обчислення площі з поділом на переріз. Об'єм теплообмінного бака розраховується з реалізації ефективного теплообміну, звичайне середнє значення - близько 120 л. Для теплового насоса раціонально використовувати труби для кондиціонерів, які мають спіральну форму і реалізуються в бухтах.

Мал. З Мідна труба та бак для теплообмінника

Даний спосіб конструкції теплообмінників багато виробників теплових насосів своїми руками замінили більш компактним, використовуючи теплообмін за принципом «труба в трубі». Стандартний діаметр пластикової труби для випарника - 32 мм., В неї поміщається мідна труба діаметром 19 мм., Випарник термоізолюється, загальна довжина теплообмінника близько 10 - 12 м. Для конденсатора можна використовувати 25 мм. металопластикову трубу та 12,7 мм. мідну.

Для збільшення площі та ефективності роботи теплообмінника деякі умільці скручують косу з кількох мідних труб малого діаметра, перекладають їх тонким дротом та поміщають конструкцію у пластик. Це дозволяє отримати на 10-метровому відрізку площу теплообміну близько 1 кубічного метра.

Терморегулюючий вентиль

Правильно підібраний пристрій регулює ступінь заповнення випарника та великою мірою відповідає за продуктивність усієї системи. Наприклад, якщо надходження холодоагенту занадто велике, він не встигне повністю випаруватися, і компресор будуть потрапляти краплі рідини, що призводять до порушення його роботи і зниження температури газу на виході. Занадто мала кількість фреону у випарнику після збільшення температури в компресорі буде недостатньо для прогрівання необхідного об'єму води.

Датчики

Для зручності користування, контролю роботи, виявлення несправностей та налаштування системи потрібна наявність вбудованих температурних датчиків. Інформація важлива на всіх етапах функціонування системи, тільки за її допомогою за формулами можна встановити найважливіший параметр змонтованого обладнання для водяних теплових насосів показник ефективності СОР.

Насосне обладнання

При роботі теплових насосів паркан і подача води зі свердловини, колодязя або відкритого водоймища відбувається за допомогою водяних помп. Можуть використовуватися занурювальні або поверхневі види, зазвичай їхня потужність невелика, для подачі води достатньо 100 - 200 Вт. Для контролю роботи, захисту насосів та системи додатково монтуються фільтри, манометр, водяні лічильники та найпростіша автоматика.

Складання теплового насосного обладнання своїми руками не становить великих труднощів при вмінні поводитися зі спеціальним інструментом для зварювання та паяння міді. Виконана робота допоможе заощадити значні кошти – витрати на комплектуючі становитимуть близько 600 у. е., купівля промислового обладнання обійдеться в 10 разів дорожче (близько 6000 у. е.). Зібрана своїми руками конструкція при правильному розрахунку та налаштуванні має ефективність (СМР) близько 4, що відповідає промисловим зразкам.

Як відомо, теплові насоси використовують безкоштовні, відновлювані джерела енергії: низькопотенційне тепло повітря, ґрунту, підземних, відкритих незамерзаючих водойм, стічних та скидних вод і повітря, а також тепло технологічних підприємств, що скидається. Для того щоб це зібрати витрачається електроенергія, але відношення кількості одержуваної теплової енергії до кількості електричної, що витрачається, становить близько 3-7 разів.

Якщо говорити тільки про навколишні джерела низькопотенційного тепла для використання в опалювальних цілях, це; зовнішнє повітря температурою від -3 до +15 °С, повітря, що відводиться з приміщення (15-25 °С), підґрунтові (4-10 °С) і грунтові (близько 10 °C) води, озерна і річкова вода (5-10 °С), ґрунтовий поверхневий (нижче точки промерзання) (3-9°С) та земельний глибинний (понад 6 м - 8 про С).

Відбір тепла із довкілля (внутрішній округ).

У випарнику прокачується рідке робоче середовище-холодоагент, при низькому тиску. Тепловий рівень температур навколишній випарник, вищий за відповідну температуру кипіння робочого середовища (холодоагент підбирається такий, що може закипати навіть за мінусової температури). За рахунок цього перепаду температур відбувається передача тепла навколишнього середовища, робочого середовища, яке при цих температурах закипає і випаровується (перетворюється на пару). Необхідне для цього тепло відбирається від будь-якого перерахованого вище низькопотенційного джерела тепла.

Докладніше про джерела енергії, що поповнюються.

Якщо як джерело тепла вибрано атмосферне або вентиляційне повітря, застосовуються теплові насоси, що працюють за схемою «повітря-вода». Насос може бути розташований усередині або зовні приміщення з вбудованим або виносним конденсатором. Повітря продувається через теплообмінник (випарник) за допомогою вентилятора.

Як джерело низькопотенційної теплової енергії можуть використовуватися підземні води з відносно низькою температурою або ґрунт поверхневих шарів землі. Тепловміст ґрунтового масиву в загальному випадку вищий. Тепловий режим ґрунту поверхневих шарів землі формується під дією двох основних факторів - падаючої на поверхню сонячної радіації та потоком радіогенного тепла із земних надр. Сезонні та добові зміни інтенсивності сонячної радіації та температури зовнішнього повітря викликають коливання температури верхніх шарів ґрунту. Глибина проникнення добових коливань температури зовнішнього повітря та інтенсивності падаючої сонячної радіації в залежності від конкретних ґрунтово-кліматичних умов коливається в межах від кількох десятків сантиметрів до півтора метра. Глибина проникнення сезонних коливань температури зовнішнього повітря та інтенсивності падаючої сонячної радіації не перевищує, як правило, 15-20 м.

Види горизонтальних теплообмінників:

1. теплообмінник із послідовно з'єднаних труб;
2. теплообмінник із паралельно з'єднаних труб;
3. горизонтальний колектор, покладений у траншеї;
4. теплообмінник у формі петлі;
5. теплообмінник у формі спіралі, розташованої горизонтально (так званий "slinky" колектор);
6. теплообмінник у формі спіралі, розташованої вертикально.

Вода добре акумулює сонячне тепло. Навіть у холодний зимовий період ґрунтові води мають постійну температуру від +7 до +12°C. У цьому полягає перевага джерела тепла. Внаслідок постійного температурного рівня цього джерела тепла має високий коефіцієнт перетворення через тепловий насос протягом усього року. На жаль, ґрунтові води не скрізь є у достатній кількості. При використанні в якості джерела ґрунтових вод, подача здійснюється зі свердловини за допомогою занурювального насоса на вхід у теплообмінник (випарник) теплового насоса, що працює за схемою «вода-вода/відкрита система», з виходу теплообмінника вода або закачується в іншу свердловину, або скидається у водойму. Перевагою відкритих систем є можливість отримання великої кількості теплової енергії за відносно низьких витрат. Проте свердловини потребують обслуговування. Крім того, використання таких систем можливе не у всіх місцевостях. Головні вимоги до ґрунту та ґрунтових вод такі:
- достатня водопроникність ґрунту, що дозволяє поповнюватися запасам води;
- хороший хімічний склад ґрунтових вод (наприклад, низький залізовміст), що дозволяє уникнути проблем, пов'язаних з утворенням відкладень на стінках труб та корозією.

Відкриті системи найчастіше використовуються для тепло- або холодопостачання великих будівель. Найбільша у світі геотермальна теплонаносна система використовує як джерело низькопотенційної теплової енергії ґрунтові води. Ця система розташована в США в м. Луїсвілль (Louisville), штат Кентуккі. Система використовується для тепло- та холодопостачання готельно-офісного комплексу; її потужність становить приблизно 10 МВт.

Візьмемо інше джерело - водоймище, на його дно можна укладати петлі із пластикової труби, схема «вода-вода/закрита система». По трубопроводу циркулює розчин етиленгліколю (антифриз), який через теплообмінник (випарник) теплового насоса передає тепло холодоагенту.
Грунт має здатність акумулювати сонячну енергію протягом тривалого часу, що забезпечує порівняно рівномірну температуру джерела тепла протягом року і, тим самим, високий коефіцієнт перетворення теплового насоса. Температура у верхніх шарах ґрунту змінюється залежно від сезону. Нижче межі замерзання ці температурні коливання значно знижуються. Накопичене в грунті тепло витягається за допомогою горизонтально прокладених герметичних теплообмінників, званих також земельними колекторами, або вертикально прокладених теплообмінників, так званих геотермальними зондами. Тепло навколишнього середовища передається сумішшю води та етиленгліколю (розсолом або медіумом), температура замерзання якого повинна становити приблизно -13°C (врахувати дані виробника). Завдяки цьому розсіл не замерзає у процесі роботи.
Отже, можливі два варіанти одержання низькопотенційного тепла із ґрунту. Горизонтальне укладання пластикових труб у траншеї глибиною 1,3-1,7 м, залежно від кліматичних умов місцевості, або вертикальні свердловини глибиною 20-100 м. Укладання труб у траншеї, можна проводити і у вигляді спіралей, але з глибиною укладання 2- 4 м це значно зменшить загальну довжину траншей. Максимальна тепловіддача поверхневого ґрунту становить від 7 до 25 Вт із м.п., з геотермального 20-50 Вт із м.п. За даними компаній виробників, термін служби траншей та свердловин становить понад 100 років.

Трохи докладніше про вертикальні ґрунтові теплообмінники.

З 1986 року в Швейцарії, неподалік Цюріха, проводилися дослідження системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками. У ґрунтовому масиві було влаштовано вертикальний ґрунтовий теплообмінник коаксіального типу глибиною 105 м. Цей теплообмінник використовувався як джерело низькопотенційної теплової енергії для теплонаносної системи, встановленої в одноквартирному житловому будинку. Вертикальний ґрунтовий теплообмінник забезпечував пікову потужність приблизно 70 Вт на кожен метр довжини, що створювало значне теплове навантаження на навколишній ґрунтовий масив. Річне виробництво теплової енергії складає близько 13 МВт.
На відстані 0,5 і 1 м від основної свердловини були пробурені дві додаткові, в яких на глибині 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 і 105 м встановлені датчики температури, після чого свердловини були заповнені глинисто-цементною сумішшю. Температура вимірювалася кожні 30 хвилин. Крім температури ґрунту фіксувалися й інші параметри: швидкість руху теплоносія, споживання енергії приводом компресора, температура повітря тощо.

Перший період спостережень тривав із 1986 по 1991 рік. Вимірювання показали, що вплив тепла зовнішнього повітря та сонячної радіації відзначається в поверхневому шарі ґрунту на глибині до 15 м. Нижче цього рівня тепловий режим ґрунту формується головним чином за рахунок тепла земних надр. За перші 2-3 роки експлуатації температура ґрунтового масиву, що оточує вертикальний теплообмінник, різко знизилася, проте з кожним роком зниження температури зменшувалася, і через кілька років система вийшла на режим, близький до постійного, коли температура ґрунтового масиву навколо теплообмінника стала нижчою за початкову. -2 °C.

Восени 1996 року, через десять років після початку експлуатації системи, вимірювання було відновлено. Ці вимірювання показали, що температура ґрунту істотно не змінилася. У наступні роки було зафіксовано незначні коливання температури ґрунту в межах 0,5 °C залежно від щорічного опалювального навантаження. Таким чином, система вийшла на квазістаціонарний режим після перших кількох років експлуатації.

На основі експериментальних даних були побудовані математичні моделі процесів, що проходять у ґрунтовому масиві, що дозволило зробити довгостроковий прогноз зміни температури ґрунтового масиву.

Математичне моделювання показало, що щорічне зниження температури буде поступово зменшуватися, а обсяг ґрунтового масиву навколо теплообмінника, схильного до зниження температури, з кожним роком буде збільшуватися. Після закінчення періоду експлуатації починається процес регенерації: температура ґрунту починає підвищуватися. Характер протікання процесу регенерації подібний до характеру процесу "відбору" тепла: у перші роки експлуатації відбувається різке підвищення температури ґрунту, а в наступні роки швидкість підвищення температури зменшується. Тривалість періоду "регенерації" залежить від тривалості періоду експлуатації. Ці два періоди приблизно однакові. У цьому випадку період експлуатації ґрунтового теплообмінника дорівнював тридцяти років, і період "регенерації" також оцінюється в тридцять років.

Таким чином, системи тепло- та холодопостачання будівель, що використовують низькопотенційне тепло землі, є надійним джерелом енергії, яке може бути використане повсюдно. Це джерело може використовуватися протягом тривалого часу і може бути відновлено після закінчення періоду експлуатації.

Розрахунок горизонтального колектора теплового насоса

Знімання тепла з кожного метра труби залежить від багатьох параметрів: глибини укладання, наявності ґрунтових вод, якості ґрунту тощо. Орієнтовно вважатимуться, що з горизонтальних колекторів він становить 20 Вт.м.п. Більш точно: сухий пісок – 10, суха глина – 20, волога глина – 25, глина з великим вмістом води – 35 Вт.м.п. Різницю температури теплоносія в прямій та зворотній лінії петлі при розрахунках, зазвичай приймають 3 °С. На ділянці колектора не слід зводити будівель, щоб тепло землі, тобто. наше джерело енергії поповнювалося енергією за рахунок сонячної радіації.

Мінімальна відстань між прокладеними трубами повинна бути не менше 0,7-0,8 м. Довжина однієї траншеї може коливатися від 30 до 150м., важливо щоб довжини контурів, що підключаються, були приблизно однаковими. Як теплоносій первинного контуру рекомендується використовувати розчин етиленгліколю (медіум) з точкою замерзання приблизно -13 про С. У розрахунках слід врахувати, що теплоємність розчину при температурі 0°С становить 3,7 кДж/(кг·К), а щільність - 1 ,05 г/см3. При використанні медіуму втрата тиску в трубах в 1,5 рази більша, ніж при циркуляції води. Для розрахунку параметрів первинного контуру теплонасосної установки потрібно визначити витрату медіуму:

Vs = Qo · 3600 / (1,05 · 3,7 ·. t),
де.t - різниця температур між лініями, що подає і зворотною лініями, яку часто приймають рівною 3 про К. Тоді Qo - теплова потужність, одержувана від низькопотенційного джерела (грунт). Остання величина розраховується як різниця повної потужності теплового насоса Qwp та електричної потужності, що витрачається на нагрівання холодоагенту P:

Qo = Qwp – P, кВт.

Сумарна довжина труб колектора L та загальна площа ділянки під нього A розраховуються за формулами:

Тут q - питома (з 1 м труби) теплознімання; da - відстань між трубами (крок укладання).

приклад розрахунку. Теплового насосу.
Вихідні умови: теплопотреба котеджу площею 120-240 м2 (з розрахунку теплових втрат з урахуванням інфільтрації) – 13 кВт; температура води в системі опалення приймаємо рівною 35 ° С (підстатеве обігрів); мінімальна температура теплоносія на вихід у випарник – 0 °С. Для обігріву будівлі обраний тепловий насос потужністю 14,5 кВт з існуючого технічного ряду обладнання з урахуванням втрат на в'язкості медіуму, при відборі та передачі теплової енергії з ґрунту становить 3,22 кВт. Теплознімання з поверхневого шару ґрунту (суха глина), q дорівнює 20 Вт/м.п. Відповідно до формул розраховуємо:

1) необхідна теплова потужність колектора Qo = 14,5 – 3,22 = 11,28 кВт;
2) сумарну довжину труб L=Qo/q=11,28/0,020=564 м.п. Для організації такого колектора потрібно 6 контурів завдовжки 100 м;
3) при кроці укладання 0,75 м необхідна площа ділянки А = 600 х 0,75 = 450 м2;
4) загальна заправка етиленгліколевого розчину Vs = 11,28 · 3600 / (1,05 · 3,7 · 3) = 3,51 м3, в один контур дорівнює 0,58 м3.

Для влаштування колектора вибираємо пластикову трубу типорозміру 32х3. Втрати тиску в ній становитимуть 45 Па/м.п.; опір одного контуру - приблизно 7 кПа; швидкість протоки теплоносія – 0,3 м/с.

Розрахунок зонда

При використанні вертикальних свердловин завглибшки від 20 до 100 м у них занурюються U-подібні пластикові (при діаметрах від 32 мм) труби. Як правило, в одну свердловину вставляється дві петлі з заливкою суспенсним розчином. У середньому питомий теплознімання такого зонда можна прийняти рівним 50 Вт/м.п. Можна також орієнтуватися на такі дані теплозйомки:

• сухі осадові породи – 20 Вт/м;
• кам'янистий ґрунт та насичені водою осадові породи - 50 Вт/м;
• кам'яні породи з високою теплопровідністю – 70 Вт/м;
• підземні води – 80 Вт/м.

Температура ґрунту на глибині понад 15 м постійна і становить приблизно +9 °С. Відстань між свердловинами має бути більше 5 м. За наявності підземних течій свердловини повинні розташовуватися на лінії, перпендикулярній потоку.
Підбір діаметрів труб проводиться виходячи із втрат тиску для необхідної витрати теплоносія. Розрахунок витрати рідини може проводитись для t = 5 °С.

приклад розрахунку.

Вихідні дані - ті, що й у наведеному вище розрахунку горизонтального колектора. При питомому теплозніманні зонда 50 Вт/м та необхідної потужності 11,28 кВт довжина зонда L повинна становити 225 м.
Для влаштування колектора необхідно пробурити три свердловини глибиною по 75 м. У кожній із них розміщуємо по дві петлі труби типорозміру 32х3; всього – 6 контурів по 150 м.

Загальна витрата теплоносія при t = 5 ° С складе 2,1 м3/год; витрати через один контур - 0,35 м3/год. Контури матимуть наступні гідравлічні характеристики: втрати тиску в трубі – 96 Па/м (теплоносій – 25-відсотковий розчину етиленгліколю); опір контуру – 14,4 кПа; швидкість потоку – 0,3 м/с.

Вибір обладнання

Оскільки температура антифризу може змінюватись (від -5 до +20 °С) у первинному контурі теплонасосної установки необхідний гідравлічний розширювальний бак.
Рекомендується встановити на опалювальній (конденсаторній) лінії теплового насоса накопичувальний бак: компресор теплового насоса працює в режимі «ввімкнено-вимкнено». Занадто часті пуски можуть призвести до прискореного зношування його деталей. Бак корисний і як акумулятор енергії на випадок відключення електроенергії. Його мінімальний обсяг приймається із розрахунку 20-30 л на 1 кВт потужності теплового насоса.

При використанні біваленції, другого джерела енергії (електричного, газового, рідко- або твердопаливного котла), він підключається до схеми через акумуляторний бак, який є ще й термогідророзподільником, включення котла управляється тепловим насосом або верхнім рівнем системою автоматики.
У разі можливих відключень електроенергії можна збільшити потужність теплового насоса, що встановлюється, на коефіцієнт, що розраховується за формулою: f = 24/(24 - t відкл), де t відкл - тривалість перерви в електропостачанні.

У разі можливого відключення електроенергії на 4 год цей коефіцієнт дорівнюватиме 1,2.
Потужність теплового насоса можна вибирати виходячи з моновалентного або бівалентного режиму його роботи. У першому випадку передбачається, що тепловий насос використовується як єдиний генератор теплової енергії.

Слід брати до уваги: ​​навіть у нашій країні тривалість періодів із низькою температурою повітря становить невелику частину опалювального сезону. Наприклад, для Центрального регіону Росії час, коли температура опускається нижче -10 ° С, становить лише 900 год (38 діб), тоді як тривалість самого сезону - 5112 год, а середня температура січня становить приблизно -10 ° С. Тому найбільш доцільним є робота теплового насоса в бівалентному режимі, що передбачає включення додаткового джерела в періоди, коли температура повітря опускається нижче за певну: -5 °С - у південних регіонах Росії, -10 °С - у центральних. Це дозволяє знизити вартість теплового насоса і, особливо, робіт з монтажу первинного контуру (прокладання траншей, буріння свердловин і т.п.), що сильно збільшується у разі зростання потужності установки.

В умовах Центрального регіону Росії для зразкової оцінки при підборі теплового насоса, що працює в бівалентному режимі, можна орієнтуватися на співвідношення 70/30: 70% потреби в теплі покривають тепловим насосом, а 30 - електричним або іншим джерелом теплової енергії. У південних регіонах можна керуватися співвідношенням потужності теплового насоса та додаткового джерела тепла, яке часто використовується в Західній Європі: 50 на 50.

Для котеджу площею 200 м2 на 4 осіб за теплових втрат 70 Вт/м2 (при розрахунку на -28 °С зовнішньої температури повітря) потреба в теплі буде 14 кВт. До цієї величини слід додати 700 Вт для приготування санітарної гарячої води. В результаті необхідна потужність теплового насоса становитиме 14,7 кВт.

При можливості тимчасового відключення електрики необхідно збільшити число на відповідний коефіцієнт. Припустимо, час щоденного відключення – 4 год, тоді потужність теплового насоса має бути 17,6 кВт (підвищуючий коефіцієнт – 1,2). У разі моновалентного режиму можна вибрати тепловий насос типу грунт-вода потужністю 17,1 кВт, що споживає 6,0 кВт електроенергії.

Для бівалентної системи з додатковим електричним нагрівачем та температурою подачі холодної води 10 °С для необхідності отримання гарячої води та коефіцієнта запасу, потужність теплового насоса має бути 11,4 Вт, а електричного котла – 6,2 кВт (у сумі – 17,6) . Пікова електрична потужність, що споживається системою, складе 9,7 кВт.

Орієнтовна вартість споживаного за сезон електрики, при роботі теплового насоса в моновалентному режимі складе 500 руб., а в бівалентному при температурі нижче (-10С) - 12 500. 25 000, а газу – близько 8000 руб. (за наявності підведеної труби та низьких цінах на газ, що існують в Росії). В даний час для наших умов щодо економічності роботи, тепловий насос може бути порівняний тільки з газовим котлом нових серій, а за експлуатаційними витратами, довговічністю, безпекою (не потрібне приміщення котельні) та екологічною чистотою перевершує всі інші види виробництва теплової енергії.

Зазначимо, що при встановленні теплових насосів в першу чергу слід подбати про утеплення будівлі та встановлення склопакетів з низькою теплопровідністю, що знизити теплові втрати будівлі, а значить і вартість робіт та обладнання.

З урахуванням того, що тепловий насос - обладнання, що потребує досить серйозних витрат на придбання та монтаж, до питання його вибору слід ставитись особливо ретельно. Перше, що потрібно зробити потенційному покупцю - це зробити хоча б приблизний розрахунок потужності устаткування, яке підійде для ефективної роботи у конкретних умовах. Звичайно, можна звернутися до фахівців, щоб скласти проект теплового насоса, але для того, щоб оцінити зразкові витрати, деякі початкові розрахунки можна зробити самостійно.

Тепловий насос, проектування якого – досить складний захід, вибирають залежно від площі будинку, ступеня його утеплення, середніх температурних значень у холодну пору року. Крім розрахунку необхідної потужності, повний проект передбачає визначення параметрів земляного колектора для геотермального насоса, розрахунок кількості та діаметра труб для свердловини у разі системи водо-вода. Правильний розрахунок теплового насоса передбачає врахування безлічі факторів: від характеристик ґрунту на ділянці до матеріалу, з якого збудовано будинок.

Розробка системи опалення на основі теплового насосу

Якщо вас серйозно зацікавив такий прогресивний спосіб опалення будинку, як теплові насоси, то найкраще віддати перевагу послугам фахівців з профільною освітою та великим досвідом роботи з подібним обладнанням. Все тому, що правильна розробка теплового насоса та всієї системи опалення для будинку дозволить на довгі роки забути про проблеми з теплом, насолоджуючись стабільною ефективною роботою обладнання.

Насамперед, варто визначитися з джерелом тепла, яке перетворюватиметься на енергію для теплоносія в системі опалення. Від того, чи це буде ґрунт, вода чи повітря, залежить як виробництво теплових насосів (а точніше, технологія виготовлення), так і продуктивність, і ціна самого обладнання та робіт із встановлення. Однією з найефективніших систем вважається вода-вода, але для неї потрібна наявність водоймища біля будинку або достатньої кількості ґрунтових вод на ділянці.

Варто враховувати, що тепловий насос більше використовується для низькотемпературних джерел тепла, ідеальне поєднання із системою «тепла підлога», але можливе і комбінування з традиційними генераторами. Вибираючи теплові насоси, тепловий розрахунок їх проводиться так, щоб врахувати, чи здатний він самостійно обігрівати приміщення навіть у найбільші холоди або в системі необхідно передбачити додаткове джерело тепла, наприклад електричний котел. Термодинамічний розрахунок враховує мінімальні значення температур, які можуть бути досягнуті взимку.

Також необхідно враховувати необхідність гарячого водопостачання будинку, якщо така функціональна можливість потрібна, то в необхідну потужність закладаються додаткові 20%.

Приклад розрахунку теплового насосу

Отже, ми маємо двоповерхову будівлю площею 250 кв.м. з висотою стель 2,7 м. Припустимо, що температура у приміщенні дорівнює +20°С, але в вулиці -26°С. Далі робимо розрахунок потужності теплового насоса для опалення будинку:

0,434*250*2,7*(20-(-26)) = 13475,7кВт - максимальна необхідна потужність на опалення відповідно до СП 50.13330-2012

Великих втрат такий розрахунок не передбачає. Втрати у разі можуть навіть менше, ніж 13475,7кВт.

Точніший тепловий розрахунок може бути зроблений індивідуально. У ньому враховуватимуться всі матеріали стін, вікон, стель тощо.

Розрахунок контуру теплового насоса, який піде для опалення та охолодження приміщення, складніший і проводиться фахівцями.