Автор:
Crocus
У даній статті описані варіанти опалення і гарячого водопостачання з допомогою теплового насоса, сонячного колектора і кавітаційного теплогенератора. Дана наближена методика розрахунку теплового насоса і теплогенератора. Наведено приблизна вартість витрат для обігріву будинку з допомогою теплового насоса.
Зміст: (приховати)
Тепловий насос. Конструкція обігріву домаПринцип дії теплового насосаРасчет горизонтального колектора теплового насосаПример розрахунку теплового насосаРасчет вертикального коллектораРабота теплового насоса при роботі за схемою «Грунт-вода»Принцип роботи схеми опалення
Тепловий насос. Конструкція обігріву будинку
Щоб зрозуміти принцип дії можна подивитися на звичайний побутовий холодильник або кондиціонер.
Сучасні теплові насоси використовують для своєї роботи низькопотенційного джерела тепла землю, грунтові води, повітря. І в холодильнику і в тепловому насосі діє один і той же фізичний принцип (фізики називають такий процес циклом Карно). Тепловий насос — пристрій, який «викачує» тепло з холодильної камери і викидає його на радіатор. Кондиціонер «викачує» тепло з повітря кімнати і викидає її на радіатор, але знаходиться на вулиці. При цьому до тепла, «высосанному» з кімнати, додається ще тепло, в яке перетворилася електрична енергія, споживана електродвигуном кондиціонера.
Число, що виражає відношення вироблюваної тепловим насосом (кондиціонером або холодильником) теплової енергії до споживаної ним електричної енергії, фахівці з тепловим насосам називають «опалювальним коефіцієнтом». У кращих теплових насосах опалювальний коефіцієнт досягає 3-4. Тобто на кожен спожитий електродвигуном кіловат-годину електроенергії виробляється 3-4 кіловат-годин теплової енергії. (Один кіловат-годину відповідає 860 кілокалоріям.) Цей коефіцієнт перетворення (опалювальний коефіцієнт) безпосередньо залежить від температури джерела тепла, чим вище температура джерела, тим більше коефіцієнт перетворення.
Кондиціонер бере цю теплову енергію з повітря вулиці, а великі теплові насоси «викачують» це додаткове тепло зазвичай з водойми/підземних вод або грунту.
Хоча температура цих джерел набагато менше, ніж температури обігрівається повітря в будинку, але і це низькотемпературне тепло ґрунту чи води, тепловий насос і перетворює в високотемпературне, необхідне для обігріву будинку. Тому теплові насоси називають ще «трансформаторами тепла». (процес перетворення див. нижче)
Примітка: Теплові насоси не тільки зігрівають будинку, але і охолоджують воду в річці, з якої викачують тепло. А в наш час, коли річки занадто перегріті промисловими і побутовими стоками, охолоджувати річку дуже корисно для життя в ній живих організмів і риби. Чим нижче температура води, тим більше в ній може розчинитися кисню, необхідного для риби. У теплій воді риба задихається, а в холодній блаженствує.Тому теплові насоси дуже перспективні в справі порятунку навколишнього середовища від теплового забруднення».
Але установка системи опалення за допомогою теплових насосів поки дуже дорога, тому що потрібні велика кількість земляних робіт плюс витратних матеріалів, наприклад, труб для створення колектора/теплообмінника.
Так само варто пам’ятати що в теплових насосах, як і у звичайних холодильниках, використовується компресор, що стискає робоче тіло — аміак або фреон. На фреоні теплові насоси працюють краще, але фреон вже заборонений до застосування із-за того, що він, потрапляючи в атмосферу, випалює в її верхніх шарах озону, що захищає Землю від ультрафіолетових променів Сонця.
І все-таки мені здається, що майбутнє за тепловими насосами. Але їх ніхто поки не виробляє масово. Чому? Не важко здогадатися.
Якщо з’являється альтернативний джерело дешевої енергії, то куди подіти видобутий газ, нафту і вугілля, кому його продавати. А на що списувати багатомільярдні збитки від вибухів на шахтах та рудниках.
Принципова схема обігріву будинку з допомогою теплового насоса
1 — тепловий насос; 2 — трубопровід, укладений в землі; 3 — бойлер непрямого нагріву; 4 — система опалення «тепла підлога»; 5 — контур подачі гарячої води.
Принцип дії теплового насоса
В якості джерела низькопотенційного тепла може виступати зовнішнє повітря, що має температуру від -15 до +15°С, повітря відводиться через приміщення з температурою 15-25°С, підгрунтові (4-10°С) та ґрунтові (понад 10°C) води, озерна і річкова вода (0-10°С), поверхневий (0-10°С) і глибинний (понад 20 м) грунт (10°С). У Нідерландах, наприклад, у місті Херлен (Heerlen) для цих цілей використовується шахта затоплена. Вода, що наповнює стару шахту, на рівні 700 метрів має постійну температуру 32°C.
У разі використання в якості джерела тепла атмосферного або вентиляційного повітря, система опалення працює за схемою «повітря–вода». Насос може бути розташований всередині або зовні приміщення. Повітря подається в його теплообмінник з допомогою вентилятора.
Якщо в якості джерела тепла використовуються ґрунтові води, то система працює за схемою «вода–вода». Вода подається зі свердловини за допомогою насоса в теплообмінник насоса, а після відбору тепла, зноситься в іншу свердловину, або у водоймище. В якості проміжного теплоносія можна використовувати антифриз або тосол. Якщо в якості джерела енергії виступає водойма, на його дно вкладається петля з металопластикової або пластикової труби. По трубопроводу циркулює розчин гліколю (антифриз) або тосола який через теплообмінник теплового насоса передає тепло фреону.
При використанні в якості джерела тепла ґрунту, система працює за схемою «грунт-вода». Можливі два варіанти пристрою колектора – вертикальний і горизонтальний.
- При горизонтальному розташуванні колектора, металопластикових труби укладають у траншеї глибиною 1,2–1,5 м або у вигляді спіралей в траншеї глибиною 2-4 м. Такий спосіб укладання дозволяє значно зменшити довжину траншей.
Схема теплового насоса при горизонтальному колекторі зі спіральною укладанням труб
1 — тепловий насос; 2 — трубопровід, укладений в землі; 3 — бойлер непрямого нагріву; 4 — система опалення «тепла підлога»; 5 — контур подачі гарячої води.
Однак при укладанні спіраллю сильно збільшується гідродинамічний опір, що призводить до додаткових витрат на прокачування теплоносія, так само опір збільшується по мірі збільшення довжини труб.
- При вертикальному розташуванні колектора труби укладають в вертикальні свердловини на глибину 20-100 м.
Схема вертикального зонда
Фото зонда в бухті
Встановлення зонда в свердловину
Розрахунок горизонтального колектора теплового насоса
Розрахунок горизонтального колектора теплового насоса.
q – питома знімання (з 1 м пог. труби).
- сухий пісок – 10 Вт/м,
- суха глина – 20 Вт/м,
- волога глина – 25 Вт/м,
- глина з великим вмістом води – 35 Вт/м.
Між прямою і зворотною петлею колектора з’являється різниця температур теплоносія.
Зазвичай для розрахунку її приймають рівною 3°С . Недоліком такої схеми є те, що на ділянці над колектором не бажано зводити будівель, щоб тепло землі поповнювалося за рахунок сонячної радіації. Оптимальна дистанція між трубами вважається 0,7–0,8 м. При цьому довжина однієї траншеї вибирається від 30 до 120 м.
Приклад розрахунку теплового насоса
Я наведу приблизний розрахунок теплового насоса для нашого екобудинки, описаного у статті Екобудинок. Теплопостачання екодому.
Вважається, що для обігріву будинку з висотою стелі 3 м, необхідно витрачати 1 кВт. Теплової енергії на 10 м2 площі. При площі будинку 10х10м=100 м2, необхідно 10кВт теплової енергії.
При використанні теплої підлоги, температура теплоносія в системі , повинна бути 35°С, а мінімальна температура теплоносія – 0°С.
Таблиця 1. Дані теплового насоса Thermia Villa.
Для обігріву будівлі потрібно вибирати тепловий насос потужністю 15,6 кВт (найближчий більший типорозмір), витрачає на роботу компресора 5 кВт. Вибираємо за типом грунту знімання тепла з поверхневого шару ґрунту. (Вологої глини) q дорівнює 25 Вт/м.
Розрахуємо потужність теплового колектора:
Qo=Qwp–P, де
Qo – потужність теплового колектора, кВт;
Qwp – потужність теплового насоса, кВт;
P – електрична потужність компресора, кВт.
Необхідна теплова потужність колектора складе:
Qo=15,6–5=10,6 кВт;
Тепер визначимо сумарну довжину труб:
L=Qo/q, де q – питома (з 1 м. пог. труби) знімання тепла, кВт/м.
L=10,6/0,025 = 424 м.
Для організації такого колектора буде потрібно 5 контурів довжиною по 100 м. Виходячи з цього, визначимо необхідну площу ділянки для укладання контуру.
A=Lхda, де da – відстань між трубами (крок укладки), м.
Крок укладання 0,75 м необхідна площа ділянки становитиме:
А=500х0,75=375 м2.
Розрахунок вертикального колектора
При виборі колектора, бурять свердловини глибиною від 20 до 100 м. В них занурюються U-образні металопластикові або пластикові труби. Для цього в одну свердловину вставляється дві петлі, які заливається цементним розчином. Питома теплосъемтакого колектора становить 50 Вт/м.
Для більш точних розрахунків застосовують наступні дані:
- сухі осадові породи – 20 Вт/м;
- кам’янистий грунт і насичені водою осадові породи – 50 Вт/м;
- кам’яні породи з високою теплопровідністю – 70 Вт/м;
- підземні води – 80 Вт/м.
На глибинах понад 15 м, температура грунту становить приблизно +10°С. Необхідно враховувати, що відстань між свердловинами повинна бути не більше 5 м. Якщо в грунті існують підземні течії, то необхідно бурити свердловини перпендикулярної потоку.
Приклад: L=Qo/q=10,6/0,05=212 м.
Таким чином, при питомій теплос’еме колектора 50 Вт/м і необхідної потужності 10,6 кВт довжина труби L повинна скласти 212 м.
Для влаштування колектора необхідно пробурити три свердловини глибиною по 75 м. В кожній з них розміщуємо по дві петлі з металопластикової труби – 6 контурів по 150 м.
Робота теплового насоса при роботі за схемою «Грунт-вода»
Трубопровід вкладається в землю. При прокачуванні через нього теплоносія, останній нагрівається до температури грунту. Далі за схемою вода надходить у теплообмінник теплового насоса і віддає все тепло у внутрішній контур теплового насоса.
У внутрішній контур теплового насоса закачаний холодоагент під тиском. В якості холодоагенту використовується фреон або його замінники, оскільки фреон руйнує озоновий шар атмосфери і заборонений до використання в нових розробках. У холодоагенту низька температура кипіння і тому коли у випарнику різко знижується тиск, він переходить з рідкого стану в газ при низькій температурі.
Після випарника газоподібний холодоагент надходить у компресор і стискається компресором. При цьому він розігрівається, і тиск його підвищується. Гарячий холодоагент надходить у конденсатор, де відбувається теплообмін між ним і теплоносієм із зворотного трубопроводу. Віддаючи своє тепло, холодоагент охолоджується і переходить в рідкий стан. Теплоносій надходить в опалювальну систему і знову охолоджуючись, передає своє тепло в приміщення. Коли холодоагент проходить через редукційний клапан,його тиск падає, і він знову переходить в рідку фазу. Після цього цикл повторюється.
У холодну пору року теплонасос працює як обігрівач, а в жаркий час може використовуватися для охолодження приміщення (при цьому тепловий насос не підігріває, а охолоджує теплоносій — воду. А охолоджена вода, у свою чергу може використовуватися для охолодження повітря в приміщенні).
У загальному випадку, теплонасос являє собою машину Карно, працює в зворотному напрямку. Холодильник перекачує тепло із охолоджуваного об’єму в навколишній повітря. Якщо помістити холодильник на вулиці, то, отримуючи тепло з зовнішнього повітря і передаючи його всередину будинку, то можна таким нехитрим способом, в якійсь мірі, обігрівати приміщення.
Однак, як показує практика, одного лише теплового насоса для постачання будинку теплом і гарячою водою недостатньо. Насмілюся запропонувати оптимальну, на мій погляд, схему опалення та гарячого водопостачання будинку.
Пропонована схема постачання будинку теплом і гарячою водою
1 — теплогенератор; 2 — сонячний колектор; 3 — бойлер непрямого нагріву; 4 — тепловий насос; 5 — трубопровід в землі; 6 — циркуляційний блок геліосистеми; 7 — радіатор опалення; 8 — контур подачі гарячої води; 9 — система опалення «тепла підлога».
Дана схема передбачає одночасне використання трьох джерел тепла. Основну роль грає в ній теплогенератор (1), тепловий насос (4) та сонячний колектор(2), які служать допоміжними елементами і сприяють зниженню витрат споживаної електроенергії і, як наслідок, підвищенню ефективності нагріву. Одночасне використання трьох джерел нагріву практично повністю виключає небезпеку розмерзання системи.
Адже ймовірність виходу з ладу одночасно і теплогенератора, і теплового насоса, і сонячного колектора мізерно мала. На схемі показано два варіанти обігріву приміщень: радіатори (7) і «тепла підлога» (9). Це не означає, що треба використовувати обидва варіанти, а лише ілюструє можливість використання і одного, і другого.
Принцип роботи схеми опалення
Теплогенератор (1) подає нагріту воду в бойлер (3) і контур, що складається з радіаторів опалення (7). Також в бойлер надходить нагрітий теплоносій від теплового насоса (4) і сонячного колектора (2). Частина нагрітої тепловим насосом води також подається на вхід теплогенератора. Змішуючись з «обратку» обігрівального контуру, вона підвищує її температуру. Це сприяє більш ефективному нагріву води в кавітаторів теплогенератора. Нагріта і накопичена в бойлері вода подається в контур системи «тепла підлога» (9) і контур подачі гарячої води (8).
Звичайно, ефективність даної схеми буде неоднаковою в різних широтах. Адже сонячний колектор буде мати найбільшу ефективність в літній час року і, звичайно ж, в сонячну погоду. В наших широтах влітку опалювати житлові приміщення немає необхідності, тому теплогенератор можна взагалі відключити. А так як літо досить жарке і ми вже насилу уявляємо свій побут без кондиціонера, то тепловий насос передбачається включити режим охолодження. Природно трубопровід, що йде від теплового насоса бойлера, буде перекрито. Таким чином вирішувати завдання гарячого водопостачання передбачається тільки за допомогою геліосистеми. І лише у випадку, якщо геліосистема не справляється з цим завданням, використовувати теплогенератор.
Як бачимо, схема досить складна і дорога. Загальні приблизні витрати в залежності від обраної схеми наведено нижче.
Витрати для вертикального колектора:
- Тепловий насос 6000 €;
- Бурові роботи 6000 €;
- Експлуатаційні витрати (електрика): близько 400 € на рік.
Для горизонтального колектора:
- Тепловий насос 6000 €;
- Бурові роботи 3000 €;
- Експлуатаційні витрати (електрика): близько 450 євро в рік.
З великих витрат будуть потрібні витрати на закупівлю труб і на оплату праці робітників.
Установка плоского сонячного колектора (наприклад, Vitosol 100-F і водонагрівача 300 л) обійдеться в 3200 €.
Тому давайте, підемо від простого до складного. Спочатку зберемо просту схему опалення будинку на основі теплогенератора, налагодимо її, і поступово будемо додавати до неї нові елементи, що дозволяють збільшувати ККД установки.
Зберемо систему опалення за схемою:
Схема теплопостачання будинку з використанням теплогенератора
1 — теплогенератор; 2 — бойлер непрямого нагріву; 3 — система опалення «тепла підлога»; 4 — контур подачі гарячої води.
В підсумку ми одержали просту схему теплопостачання будинку, Я поділився своїми думками для того, що б спонукати ініціативних людей до розвитку альтернативних джерел енергії. Якщо у когось виникнуть ідеї або заперечення з приводу написаного вище, давайте ділитися думками, давайте накопичувати знання і досвід в даному питанні, і ми збережемо нашу екологію і зробимо життя трошки краще.
Як бачимо тут основний і єдиний елемент, що нагріває теплоносій, – це теплогенератор. Хоча в схемі передбачено лише одне джерело нагріву, вона передбачає можливість подальшого додавання додаткових нагрівальних пристроїв. Для цього передбачається використання бойлера непрямого нагріву з можливістю додавання або вилучення теплообмінників.
Використання радіаторів опалення, наявних у схемі, зображеній на рисунку на один вище, не передбачається. Як відомо система «тепла підлога» більш ефективно справляється із завданням обігріву приміщень і дозволяє економити затрачену енергію.
Увага: Ціни актуальні на 2009 рік.
