Тепловой насос для отопления загородного дома: принцип работы, схема установки, внутреннее устройство

Сокращение затрат на коммунальные блага — одна из основных задач владельца частного дома. Самыми затратными во всех смыслах являются источники тепла — котлы, нагреватели, функционирующие на постоянно дорожающих видах топлива. Альтернативой такого традиционного способа подогрева воды и отопления является тепловой насос. Это устройство, которое эффективно преобразует, транспортирует тепловую энергию природного происхождения, позволяя экономить на горячей воде и отоплении.

Какую роль играет тепловой насос в отоплении дома

Теплонасосы используются в частном домостроении не так давно, но уже сейчас их называют оборудованием будущего. Причина таких восторженных отзывов заключается в том, что по своей эффективности ТН превосходят практически все виды традиционного отопительного оборудования — коэффициент отопления доходит до показателей 6-8.

Если учесть, что привычные нам виды топлива неуклонно дорожают год за годом, время окупаемости ТН быстро сокращается. Какую роль играет теплонасос в системе обогрева дома? Это трансформатор, который забирает энергию из окружающей среды и далее транспортирует ее по системе. Свою энергию он тратит не на прямой обогрев носителя, а на перекачивание и преобразование энергии.

Забор энергии возможен из разных внешних источников — открытого водоема, грунтовых вод, воздуха, почвы. На практике чаще в качестве такого резервуара используют воздух или почву. При этом самым целесообразными и эффективными являются геотермальные устройства.

Прибор имеет высокую энергоэффективность: при затратах в 1 кВт электричества на работу компрессора, происходит выработка 3-6 кВт теплоэнергии.

Принцип работы и устройство тепловых насосов

Если вам кажется, что вы никогда не встречали ТН в своей жизни — ошибаетесь. Простейшим примером такого оборудования является холодильник или кондиционер. Что происходи во время действия геотермального оборудования:

• нагрев теплоносителя от низкопотенциального источника тепла (5-10 градусов);
• сжимание хладагента с одновременным повышением его температуры (до 50-60 градусов);
• нагрев теплоносителя системы ГВС и отопления.

Теперь немного подробнее о принципе действия на примере геотермального контура:

1. Грунт нагревает соляной раствор, находящийся в системе.
2. Подогретый раствор поднимается в теплообменник с помощью циркуляционного насоса.
3. В теплообменнике соляной раствор охлаждается хладагентом и отправляется обратно в почву. Одновременно фреон испаряется, забирая у рассола тепловую энергию.
4. Фреон попадает в компрессор, который сжимает его. Происходит повышение температуры.
5. Горячий хладагент попадает в конденсатор, где испаряется, отдавая тепло носителю, циркулирующему в контуре ГВС и отопления. Он снова становится жидким и возвращается в первый теплообменник.
6. Циркуляционный ТН разносит подогретый носитель по системе.
7. Тепло рассеивается, а остывший носитель возвращается к промежуточному теплообменнику

Откуда берется тепло

Как уже отмечалось, ТН функционирует на низкопотенциальных природных источниках, среди которых:

• воздух;
• вода — открытые водоемы или грунтовые, сточные воды;
• почва.

Отметим, что под сточными водами понимают и септики, канализационные насосные станции. Именно эти два варианта часто представляются наиболее заманчивыми частным домовладельцам. Если прогнать через ТН носитель с температурой 5-10 градусов, на выходе в систему можно получить до 70 градусов.

Но подходит такой вариант только для ГВС. Причина в том, что отопительный контур понижает температуру в подобном источнике. Это приводит к целому ряду неудобств. Основное — обмерзание стоков или самого септика, если теплообменный контур ТН расположен непосредственно на стенке отстойника.

Оптимальный источник, подходящий под ГВС и СО — геотермальный. Именно он обладает лучшими эксплуатационными показателями как для холодного, так и для теплого климата. Его можно оборудовать на любом типе почвы и с любым уровнем грунтовых вод. Причина в том, что температура грунта, распложенного ниже уровня промерзания показывать стабильные показатели почти весь год.

Основные виды насосов

Существует несколько видов ТН. Но прежде всего они классифицируются по типу рабочего тела:

• на фреоне — принцип действия основан на процессах сжатия и расширения газа. Оборудование на фреоне имеет высокие показатели эффективности, но приводит к существенной перегрузке проводки. Кроме того, системы с газом в качестве транспортера не подойдут для регионов, где есть проблемы с централизованной электрификацией;
• на аммиачном растворе — действует по принципу испарения вещества при низких температурах кипения. В таком агрегате есть горелка, функционирующая на любом виде топлива — твердом или жидком. Как правило, такие модели популярны в регионах и областях, где имеются проблемы с электричеством или наблюдается низкая стоимость того или иного вида топлива.

Грунтовые помпы

Как уже отмечалось, температура почвы на уровне ниже 3 метров (промерзание), почти никогда не изменяется. Трубопровод в земле прокладывают любым способом — горизонтальным или вертикальным. По трубам в этом контуре циркулирует антифриз или этанол.

Такие помпы получают энергию у грунтовых вод. У последнего постоянный термальный режим, что позволяет обеспечить стабильность и отличную теплоотдачу внутри системы.

Воздушные агрегаты

Это, наверное, самый простой вариант обеспечить дом СО и ГВС. Воздух в качестве природной низкопотенциальной энергетики позволяет разместить оборудование прямо на улице и обойтись без масштабных земляных работ.

Несмотря на явное преимущество перед другими видами ТН, воздушные имеют и значимый недостаток. Стабильное функционирование воздушной помпы возможно только при температуре выше минус 15-17 градусов. Понижение ниже этой отметки приводит к существенному снижению эффективности отопления. А зимой такие температуры не редкость во многих регионах страны.

Получается, что именно в момент, когда нужно обеспечить дом СО и ГВС максимально эффективно, помпа снижает этот показатель.

Реверсивные насосы — что это такое

Это универсальный комбинированный ТН, который сочетает как функцию обогрева, так и охлаждения в одном корпусе. Работа ТН основана на цикле Карно. Важное свойство последнего — обратимость, то есть термодинамический процесс может протекать в двух направлениях (противоположных).

Изменение режима устройства (смена обогрева на охлаждение) производится с помощью настроек контроллера. В целом, конструкция реверсивной помпы более сложная, да и затраты на ее приобретение выше, чем для обычной тепловой.

Типы тепловых насосов

Еще одна классификация помп для обогрева зданий — по типу используемого источника. При выборе стоит ориентироваться на такие, которые способны эффективно аккумулировать солнечную энергию на протяжении всего сезона.

Воздух-воздух

Это самые недорогие и простые в установке варианты обогрева. Принцип действия — воздух попадает в корпус устройства и в испарителе отдает тепло хладагенту. Последний передает полученное носителю в доме. Такой тип отлично подходит для подогрева поверхностей — теплых полов, фанкойлов.

Из-за низкой стоимости и удобства монтажа многие выбирают тип «воздух-воздух» и для холодных регионов. Чтобы обеспечить функционирование блоков при температуре ниже -15 градусов, нужно встроить в конструкцию дублирующий теплоисточник. Он должен активироваться при заморозках.

Имеет значение и влажность воздуха. При высоких показателях корпус помпы может обмерзать и покрываться ледяной коркой. это может стать причиной серьезной поломки.

Воздух-вода

Это самый простой в установке, но и самый проблемный способ обогреть дом, подогреть воду. Конечно, такая помпа не требует прокладки труб, бурения скважин и установки подземного коллектора.

Но и в зимний период ее эксплуатация вызывает вопросы — из морозного воздуха просто не удастся получить максимум тепловой энергии. Такие системы отлично показывают себя в регионах с климатическими условиями, где даже зимой не бывает ниже минус 15 градусов.

Для такого типа используется две схемы установки оборудования:

• сплит — два блока, соединенных коммуникациями. Первый — наружный. В его конструкции предусмотрены испаритель и вентилятор. Монтаж производят в непосредственной близости от жилого строения. Второй блок — внутри дома. Здесь размещается автоматика и конденсатор. Компрессор же, как правило, выносят за пределы дома, чтобы не мешал шум от работающего устройства;
• моно — по названию понятно, что блок здесь всего один. Все элементы конструкции не разнесены по двум частям, а скомпонованы в едином. Он располагается в доме, а с улицей его связывает гибкий шланг. На рынке можно найти моноблоки, которые могут устанавливаться и на улице. Такое оборудование имеет дополнительную защиту от воздействия окружающей среды.

Рассол-вода

Конструкция, позволяющая забирать энергию почвы с помощью геотермальных зондов, внутри которых циркулирует рассол — смесь солей и воды. Последняя и забирает накопленную солнечную энергию, передавая ее далее в грунтовый коллектор. Здесь можно организовать два вида циркуляции.

Горизонтальный контур

Горизонтальный способ — трубы прокладывают ниже уровня промерзания (зависит от региона). Отметим, что теплообменник для этого типа прокладки довольно большой, поэтому придется выделить для обустройства не менее 10-20 кв. м. участка (при площади дома 100 кв. м.).

В зоне участка, где проходит коллектор, нельзя будет строить капительные строение и высаживать многолетние растения с развитой корневой системой.

Вертикальный контур

Вертикальный способ — перпендикулярно горизонту на 150-200 метров. Число зондов напрямую зависит от мощности оборудования. Например, для дома в 100 кв. м. нужно будет установить 2 штуки (длина 90 метров). Расстояние между ними примерно 5-6 метров.

Вода-вода

Не менее популярный вариант источника теплоэнергии — вода. Выделяют три вида конструкций, различающихся от локализации поступления жидкости в систему:

• коллектор в открытом водоеме — размещается непосредственно на дне. Существенное условие — для функционирования тепловой помпы нужно, чтобы водоем не замерзал в зимний сезон. Это озеро, море, река, пруд и др. Трубопровод наполняется антифризом, элементы дополнительно фиксируются на дне, чтобы не всплывали. Экономичный и эффективный способ организовать отопление в доме, но подходит только для регионов, где можно найти незамерзающие водоемы в непосредственной близости (до 50 метров);
• коллектор в канализации. Подходит для организации ГВС и СО в многоэтажных и промышленных зданиях;
• коллектор в скважине или рядом с грунтовыми водами. Такие варианты коллекторов используются достаточно редко. Причина в необходимости сооружения двух ям — для сбора жидкости и слива остывшей воды.

Грунт-вода

Почва — наиболее стабильный источник тепловой энергии. Уже на глубине около 4 метров постоянно держится показатель в +5-8 градусов. Если опуститься чуть ниже (до 10 метров) — около 11 градусов.

Для сбора геотермальной энергии используют два вида: горизонтальные и вертикальные коллекторы. О правилах их установки говорилось выше. Отметим, что для расчетов теплосъема трубопровода нужно будет учесть почвотип. Для сухого песка и глинистых оснований — 10 и 20 Вт/пог. м, для влажной глины — 25 Вт/пог. м, если содержание влаги слишком высокое — 35 Вт/пог. м.

Если вы не можете выделить на своем участке около 10-20 кв. м (для 100-метрового дома) свободной площади, которая не будет застраиваться или засаживаться многолетними крепкими растениями — выбирайте вертикальный коллектор для тепловой помпы.

Какой вид лучше

Выбор определенного вида зависит от исходных условий — площади участка, климатической зоны, в которой расположен дом, бюджета. Например, вариант «воздух-воздух» или «вода-вода» рекомендованы к испольованию в теплых регионах, где в непосредственной близости можно найти незамерзающий водоем, не бывает заморозков ниже -15.

В средней полосе оптимальным считается способполучения теплоэнергии из почвы, хотя для этого и придется соорудить сложную систему коллекторов.

Преимущества и недостатки тепловых насосов

Как и любое другое оборудование тепловые помпы имеют достоинства и недостатки. Для начала выделим плюсы от использования такого устройства:

• эффективность — принцип действия помпы основан не на производстве, а на переносе тепла. КПД такого устройства должно быть более единицы. Отметим, что сравнение разных типов проводят на основе КПТ — коэффициента преобразования тепла. Он рассчитывается как отношение количества полученного тепла и затраченной на его производства энергии. То есть, если мы получили КПТ равный 5, это значит: потрачен 1 кВт, а получено в пять раз больше тепла;
• универсальность и доступность. Для каждого региона, типа участка и условий эксплуатации можно подобрать свою систему, источником которой станет — воздух, вода или почва;
• экологичность — стоит ли говорить, что источник является безопасным, возобновляемым и исключает какие-либо выбросы в атмосферу;
• возможность использовать помпу как для обогрева, так и охлаждения — реверсивный тип;
• безопасность эксплуатации — нет открытого горения, части конструкции не разогреваются до высоких температур, не используется вредное топливо, утечка которого может повредить человеку или животным;
• автоматизация процесса;
• длительный срок эксплуатации оборудования;
• нет необходимости в периодическом техобслуживании.

Есть и свои недостатки:

• высокая стоимость. Сэкономить получится только на помпе, использующей воздух в качестве природного энергоисточника. Именно этот момент отталкивает многих потребителей, которые хотели бы использовать «бесплатные» энергоисточники. Помимо самой техники заплатить придется за ее установку и создание геотермальной станции. Срок окупаемости у такой энергосистемы достаточно высок;
• ограничение рабочей температуры для некоторых видов — воздушный стабильно функционирует до минус 15.

Примерный расчет теплопроизводительности теплового насоса

Расчет теплопроизводительности подобного оборудования — сложный процесс. Выполнить его может квалифицированный сотрудник компании, реализующей теплонасосы. Кроме того, в сети можно найти множество онлан-калькуляторов, которые помогут справиться с задачей. Достаточно будет просто ввести нужные данные.

Если нет возможности использовать указанные варианты, расчет проводят по упрощенной схеме:

Определение теплопотерь — Qок = S x (tвн – t нар) х (1 + b) x n : Rт. Понадобятся данные, представленные в таблице.

Показатель	Значение
S	Площадь всех ограждающих конструкций
tвн	t внутренняя
tнар	t наружная
b	k дополнительных теплопотерь (зависит от типа здания и климатического региона страны): 0.05-0.27
n	k конструкции здания:открытые — 1;с чердаком — 0.9;для подвалов — 0.75.
Rt	Теплосопротивление

Получаем упрощенную формулу: 

Qт.пот = Qок+Qи-Qбл (позволяет получить данные по теплопотерям от разных факторов: Qбл — от жизнедеятельности человека и работы бытовой техники, Qи — энергия, которую нужно потратить, чтобы компенсировать потери, возможные из-за неплотности в ограждениях).

На основе этих данных уже можно посчитать годовой расход электроэнергии: 

Qгод = 24х0,63 х Qт.пот х ((d x (tвн-tнар.ср)/ (tвн-tнар)) (кВт/час)

Показатель	Значение
tвн	Желательный температурный режим внутри помещений
tнар	Фактический уличный температурный режим
tнар. ср.	Среднегодовой показатель t по региону
d	Подневная протяженность отопительного сезона

Следующий шаг — расчет тепломощности помпы, которая нужна для того, чтобы обеспечить разогрев носителя до нужных параметров.

Qгор.в = V x 17 кВт/год. Здесь важно знать всего один параметр: V — объем воды (t=50 C), который используется ежедневно.

Итоговая формула, позволяющая определить затраты энергии для обеспечения ГВС и СО в год, выглядит так:

Q = Qгод + Qгв

Полученный результат нужно будет увеличить на 10 %. Это позволит компенсировать работу системы при пиковых нагрузках в холодный сезон.

Некоторые нюансы эксплуатации

Неприхотливость такой теплопомпы не означает, что при ее эксплуатации не нужно соблюдать некоторые правила:

• обеспечение отличной теплоизоляции отапливаемых помещений (показатели теплопотерь не более 100 Вт/кв. м). В противном случае вы просто будете подогревать воздух на улице и оплачивать этот процесс из своего кармана;
• теплонасосы рекомендуется комбинировать с теплыми полами. Это низкотемпературная система отопительная система (не выше 40 градусов).

Цены и производители тепловых насосов

Выделим среднюю стоимость самых распространенных типов оборудования для получения теплоэнергии.

Назначение	Стоимость теплонасос/установка (тыс. руб)	Среднегодовая стоимость обслуживания (руб.)
Горизонтальный коллектор	450/240	33000-35000
Геотермальный зонд	450/450	30000-32000
Воздушный	620/38	45000
Вода-вода	450/320	25000-30000

Указанные цены являются усредненными.

Насосы Торсейн

Это серия агрегатов, предназначенных для бытового использования — СО и ГВС частных домов. Линейка моделей от Torstein разработана таким образом, чтобы закрыть все мощностные потребности строений разной площади.

Отличаются простотой и надежностью, стабильно поставляя в трубопровод носитель, подогретый до 55 градусов. Предусмотрен плавный старт, уменьшающий нагрузку на сеть.

Принцип работы

Функционируют агрегаты на эффекте переноса тепла из одной среды в другую. Основной источник тепла для Torstein — геоконтур. Предусмотрена закрытая система, позволяющая забирать теплоэнергию весь отопительный сезон, получать высокий СОР.

Особенности использования

Линейка агрегатов Торстейн совместима с любым типом закрытого геотермального контура — горизонтальным, вертикальным зондами, наклонно-кустовым бурением. Самый бюджетный — горизонтальный способ обустройства. Но для него требуется внушительная свободная площадь. Вертикальный — потребуется бурение. Самый удачный — наклонный зонд, но он может ударить по бюджету.

Установка

Монтаж Торсейн рекомендуется заказывать у производителя или дилера. Если не позволяет площадь, придется прибегать к бурению. Для этого понадобится оборудование и квалифицированные специалисты. Заказ установки «под ключ» позволит провести правильные расчеты и избежать ошибок.

Стоимость

Цена напрямую зависит от мощности теплопомпы, выбор которой зависит от площади строения. Приведем пример средней стоимости геотермального отопления «под ключ» для строения в 100 кв. м:

• Торстейн 12 кВт (Т-12) со спиральным компрессором Панасоник — примерно 270 тысяч рублей;
• горизонтальный геоконтур — 125 тыс. руб;
• кессон и коллекторы — 45 тыс. руб;
• теплотрасса (5 м) (это минимальный показатель) — 10 тыс. руб;
• теплоноситель — 15 тыс. руб;
• обвязка по холодной стороне, монтаж — 45 тыс. руб.

Итог: 510 тысяч рублей. Общая сумма, конечно, может отличаться в зависимости от выбранного типа геоконтура, фирмы, которая будет проводить работы по его обустройству.

Буровые работы для теплового насоса

Опытные специалисты рекомендуют бурить скважины для геотермальных агрегатов не менее 100 м. На практике — большая эффективность и стабильность будет у двух скважин по 150 м, чем у трех по сто.

Стоит понимать, что для выполнения таких работ требуется спецтехника роторного типа. Шнековые установки не смогут обеспечить необходимую длину. Только при правильном проектировании и квалифицированном выполнении бурения теплоустановка прослужит длительный срок — до ста лет.

Какой насос выбрать

Какой вид устройства выбрать зависит от исходных данных объекта. Конечно, важно подобрать максимально надежный вид агрегата. Отлично показали себя агрегаты для закрытых геотермальных контуров с компрессорами спирального вида. Он отлично монтируется с любым типом контура — горизонтальным, вертикальным и др.

При подборе важно учесть:

• размер бюджета;
• вид планируемого или уже работающего отопления — теплые полы, радиаторы и др.;
• возможность глубокого бурения для геотермального контура;
• понадобится ли кондиционировать воздух летом;
• будут ли установлены воздушно-отопительные приборы.

При выборе ориентируйтесь не только на стоимость самого агрегата, но учтите расходы на установку и ежегодное содержание.

Можно ли сделать насос самостоятельно

Удивительно, но столь сложное оборудование можно собрать самостоятельно. Рекомендуется выбирать максимально простые схемы. Но предварительно нужно будет провести утепление дома, который планируется отапливать тепловым компрессором. При наличии больших теплопотерь ни одно, даже самое эффективное устройство, не сможет обогреть дом.

Собрать агрегат можно из холодильника. Конечно, отопить весь дом не получится, но запитать теплые полы или обогреть небольшую площадь — да. Первое, что придется выбрать — источник энергии и схему размещения коллектора. Здесь важно будет учесть площадь участка, удаленность водоемов и другие факторы.

Что необходимо

Помимо холодильника нужно будет приготовить:

• циркуляционный насос;
• кронштейны L-типа;
• бак из нержавейки (100-120 л);
• пластиковый бак (100 л);
• трубы — медь и металлопласт (разного d).

Как собрать

Важно, чтобы компрессор холодильника был исправен. Его нужно будет закрепить на стене, подвесив на кронштейны. Далее:

1. Из металлического бака и медных труб изготавливают конденсатор.
2. Теплообменник — бак из нержавейки с медной обмоткой. Оба конца последней закрепить рейками и присоединить сантехпереходы.
3. Испаритель — пластиковый бак с трубным змеевиком. Закрепить кронштейнами к стенке.
4. Собрать установку по схеме, установить клапан терморегуляции.
5. Закачка хладагента, подключение к источнику.

Сложности монтажа

Если планируется установка в канализацию, потребуется провести серьезную очистку системы. Основные сложности могут возникнуть с разрезанием и сваркой узлов. Важно — все они в результате были герметичными, чтобы не допустить вытекания хладагента и ослабления давления в трубопроводе. В противном случае эффективность работы природного отопителя существенно снизится.