Геотермальный тепловой насос своими руками

Особенности отопления дома тепловым насосом воздух-воздух

Прежде чем начинать оценку эффективности отопления дома тепловым насосом воздух-воздух, необходимо сказать несколько слов об особенностях работы тепловых насосов этого типа.

Эффективность теплового насоса определяется его коэффициентом преобразования (COP) – этот коэффициент показывает, соотношение полученного тепла и затраченной на это электроэнергии. Умножив этот коэффициент на 100 можно получить КПД теплового насоса. Производители и продавцы тепловых насосов воздух-воздух заявляют об их высокой эффективности и экономичности, заявляя что их насосы обладают коэффициентом преобразования COP на уровне 3..4 – т.е. на каждый затраченный 1 кВт электроэнергии можно получить 3-4 кВт тепла. Так ли это в действительности? НЕТ!!! Указываемый производителем COP – это максимально возможное значение для строго определенных условий и наружных температур.

В действительности эффективность (и COP) тепловых насосов воздух-воздух сильно зависит от наружной температуры воздуха (вообще говоря, от разности температур внутри и снаружи дома, но внутреннюю температуру можно считать неизменной). И честные производители тепловых насосов воздух-воздух дают таблицы эффективности для разных наружных температур.

Рассмотрим для примера американский тепловой насос Lennox TSA036 мощностью 10,5 кВт. В инструкции на него дана таблица отдаваемой тепловой мощности и затраченной на это электроэнергии.

Температура	+18°C	+7°C	-4°C	-7°C	-15°C	-26°C
Мощность нагрева, кВт	11,5	8,9	6,0	5,2	4,4	2,2
Потребление электричества, кВт	2,34	2,18	2,03	1,96	1,83	1,36
COP	4,91	4,08	2,96	2,66	2,4	1,62

Из этой таблицы видно, что реальный COP снижается при понижении температуры на улице. Кроме того, из этой таблицы следует и другой очень важный факт – при понижении температуры на улице количество тепла, которое можно получить от данного теплового насоса, также снижается! Причем весьма существенно – при температуре на улице -4°C от теплового насоса Lennox TSA036 можно получить уже всего только 6 кВт, при том что номинальная мощность у него – 10,5 кВт.

Более того, для любого теплового насоса воздух-воздух существует критическая отрицательная температура, при достижении которой он начинает интенсивно обмерзать. Для теплового насоса Lennox TSA036 это -7°C. При более низких температурах необходимо устанавливать так называемый зимний комплект – набор обычных электрических нагревателей, которые будут размораживать тепловой насос. Поскольку КПД этих обычных электрических нагревателей не может превышать 100%, то суммарное потребление электричества теплового насоса и дополнительных зимних нагревателей приблизится к тепловой мощности, которую можно получить от теплового насоса (как следует из таблицы, Lennox TSA036 при -7°C всего 5,2 кВт тепла, его собственное потребление 2,66 кВт плюс дополнительно несколько кВт потребляют зимние нагреватели).

Указываемый производителем COP – это максимально возможное значение для строго определенных условий и наружных температур.

Реальный COP (эффективность) теплового насоса воздух-воздух снижается при понижении температуры на улице.

Количество тепла, которое можно получить от теплового насоса воздух-воздух, также снижается при понижении температуры на улице.

Таким образом, тепловые насосы воздух-воздух эффективны только при температурах, при которых они способны работать без зимнего комплекта, и при этом нужно обязательно принимать во внимание, что при пониженных температурах они дают тепла гораздо меньше, чем их заявленная номинальная мощность. В частности, для взятой модели Lennox TSA036 при температурах ниже -7°C нужно отключать тепловой насос и переходить на резервные нагреватели (электрические)

Так будет ли эффективно отапливать дом тепловым насосом воздух-воздух в Московской области, даст ли это экономию?

Система вода-вода

Более эффективным способом для обогрева помещений является тепловой насос вода-вода. В этом случае можно извлекать тепло из водоема и передавать его в дом. Но подобный вариант возможен исключительно в том случае, если поблизости имеется источник воды. Желательно, чтобы он был не дальше 100 м, иначе конструкция будет слишком затратной.

В последнее время немалой популярностью пользуются геотермальные тепловые насосы. Они работают на основе воды из подземных источников, поэтому их использование очень выгодно. Чтобы обустроить работу конструкции через скважину, понадобится сразу два отверстия. В первом будет происходить забор воды, а во втором ее сброс.

Прочтите также нашу статью Обустройство скважины своими руками.

https://youtube.com/watch?v=2pEnKfMgf7g

При работе с водяными тепловыми насосами мастер должен учесть все нюансы. В противном случае конструкция может оказаться просто неэффективной либо быстро прийти в негодность, а это нехорошо, учитывая ее высокую стоимость. В первую очередь необходимо позаботиться о том, чтобы вода очищалась перед тем, как попасть в трубы, иначе они быстро засорятся и перестанут нормально функционировать. Закладка труб для набора и слива жидкости должна происходить на том уровне, где грунт не будет промерзать.

Чтобы обеспечить дом теплом на должном уровне, необходимо учесть глубину скважины либо объемы пруда. Если воды будет слишком мало, тепла для обогрева явно не хватит.

При использовании геотермальных источников принцип сооружения остается тем же. В качестве теплоносителя желательно использовать антифриз. Подобный тип теплового насоса считается самым эффективным и стабильным. Однако нужно понимать, что его изготовление, а уже тем более приобретение, обойдется довольно дорого, так как конструкция сложная.

Прочтите также нашу статью Циркуляционный насос для отопления как выбрать.

Достоинства и недостатки тепловых насосов

Принцип работы тепловых насосов, если говорить простым языком, основан на сборе низкопотенциальной тепловой энергии и ее дальнейшей передаче в отопительные и климатические системы, а также в системы подготовки воды, но уже с более высокой температурой. Можно привести простой пример в виде газового баллона – когда он наполняется газом, компрессор нагревается за счет его сжатия. А если выпустить газ из баллона, то баллон охладится – попробуйте резко выпустить газ из многоразовой зажигалки, чтобы понять суть этого явления.

Таким образом, тепловые насосы как бы отбирают тепловую энергию у окружающего пространства – она есть в земле, в воде и даже в воздухе. Даже если воздух имеет отрицательную температуру, в нем по-прежнему присутствует тепло. Также оно имеется в любых водоемах, которые не промерзают до самого дна, а также в глубоких слоях грунта, тоже не поддающихся глубокому промерзанию – если, конечно, это не вечная мерзлота.

Тепловые насосы обладают довольно сложным устройством, в чем можно убедиться, попробовав разобрать холодильник или кондиционеры. Эти привычные нам бытовые агрегаты чем-то похожи на вышеупомянутые насосы, только работают они в обратном направлении – забирают тепло из помещений и отправляют его наружу. Если приложить руку к заднему радиатору холодильника, то мы отметим, что он теплый. И это тепло есть не что иное, как энергия, отобранная у фруктов, овощей, молока, супов, колбасы и прочих продуктов, лежащих в камере.

Аналогичным образом работают кондиционеры и сплит-системы – тепло, выделяемое уличными блоками, представляет собой тепловую энергию, собранную по крупицам в охлаждаемых помещениях.

Принцип действия теплового насоса обратен принципу действия холодильника. Он по тем же крупицам собирает тепло из воздуха, воды или грунта, после чего перенаправляет его к потребителям – это отопительные системы, теплоаккумуляторы, системы теплых полов, а также водонагреватели. Казалось бы, нам ничто не мешает греть теплоноситель или воду обычным ТЭНом – так проще. Но давайте сравним продуктивность тепловых насосов и обычных ТЭНов:

При выборе теплового насоса самое главное — наличие конкретного природного источника энергии.

• Обычный ТЭН – на выработку 1 кВт тепла он расходует 1 кВт электроэнергии (без учета погрешностей;
• Тепловой насос – на выработку 1 кВт тепла он потребляет всего 200 Вт электроэнергии.

Нет, никакого КПД, равного 500%, здесь нет – законы физики непоколебимы. Просто здесь работают законы термодинамики. Насос как бы аккумулирует энергию из пространства, «сгущает» ее и отправляет потребителям. Аналогичным образом мы можем собирать дождевые капли через большую лейку, получая на выходе солидный ручеек воды.

Мы уже привели множество аналогий, позволяющих понять суть тепловых насосов без заумных формул с переменными и константами. Давайте теперь рассмотрим их достоинства:

• Экономия электроэнергии – если стандартное электрическое отопление домовладения площадью 100 кв. м. приведет к затратам в 20-30 тыс. рублей в месяц (в зависимости от температуры воздуха на улице), то отопительная система с тепловым насосом снизит расходы до приемлемых 3-5 тыс. рублей – согласитесь, это уже довольно солидная экономия. И это без подвохов, без обмана и без маркетинговых уловок;
• Забота об окружающей среде – угольные, атомные и гидроэлектростанции вредят природе. Поэтому пониженное потребление электроэнергии позволяет снизить количество вредных выбросов;
• Широкая сфера использования – полученную энергию можно использовать для обогрева жилища и подготовки горячей воды.

Есть и недостатки:

• Высокая стоимость тепловых насосов – этот недостаток накладывает ограничение на их использование;
• Необходимость в регулярном обслуживании – за это нужно платить;
• Трудность в монтаже – в наибольшей степени это относится к тепловым насосам с закрытыми контурами;
• Отсутствие восприятия людьми – мало кто из нас согласится потратиться на это оборудование, чтобы снизить нагрузку на окружающую среду. Но некоторые люди, живущие вдали от газовых магистралей и вынужденные отапливать жилье альтернативными источниками тепла, согласны потратить деньги на покупку теплового насоса и снизить расходы на ежемесячную оплату электроэнергии;
• Зависимость от электросети – если поставка электроэнергии прекратится, оборудование сразу же замрет. Ситуацию спасет установка теплоаккумулятора или резервного источника электропитания.

Как видим, некоторые минусы довольно серьезные.

В качестве источников резервного питания для тепловых насосов могут выступать бензиновые и дизельные электрогенераторы.

Реальные преимущества и недостатки

Если в России геотермальное отопление частного сектора получило сравнительно малое распространение, значит ли это, что идея не стоит затрат на её воплощение? Может быть, и заниматься этим вопросом не стоит? Оказалось, что это не так.

Использование системы геотермального отопления жилища – решение выгодное. И тому есть несколько причин. В их числе и быстрая установка оборудования, которое способно длительное время работать без каких-либо перебоев. Если использовать в отопительной системе не воду, а качественный антифриз, она не будет промерзать и её износ будет минимальным.

Перечислим и прочие преимущества этого вида отопления.

• Исключается процедура сжигания топлива. Мы создаём абсолютно пожаробезопасную систему, которая, в процессе своей эксплуатации, не сможет нанести жилью никакого ущерба. Кроме того, исключается ряд других моментов, связанных с присутствием топлива: теперь не нужно искать место для его хранения, заниматься его заготовкой или доставкой.
• Акустический комфорт. Тепловой насос работает практически бесшумно.
• Существенная экономическая выгода. В процессе эксплуатации системы не потребуется никаких дополнительных вложений. Ежегодный обогрев обеспечивают силы природы, которые мы не покупаем. Конечно, при функционировании теплового насоса затрачивается электрическая энергия, но при этом объём производимой энергии существенно превышает размеры потребления.
• Экологический фактор. Геотермальное отопление частного загородного дома – это экологически безопасное решение. Отсутствие процесса горения исключает поступление в атмосферу продуктов сгорания. Если это осознают многие, и такая система теплоснабжения получит должное повсеместное распространение, негативное влияние людей на природу многократно уменьшится.
• Компактность системы. Вам не придется организовывать в своём доме обособленное помещение котельной. Всё, что будет необходимо – это тепловой насос, который можно разместить, например, в подвале. Наиболее объёмный контур системы будет располагаться под землей или под водой, на поверхности вашего участка вы его не увидите.
• Многофункциональность. Система может работать как на отопление в холодное время года, так и на охлаждение в период летней жары. То есть, по сути, она заменит вам не только обогреватель, но и кондиционер.

Выбор геотермальной системы отопления экономически выгоден, несмотря на то, что придется потратиться на покупку и установку оборудования. Кстати, в качестве недостатка системы упоминают именно затраты, на которые придется пойти, чтобы установить систему и подготовить её к работе. Нужно будет купить сам насос и некоторые материалы, выполнить работы по монтажу наружного и внутреннего контуров коллектора.

Не секрет, что ресурсы дорожают год от года, поэтому автономная система отопления, которая способна окупиться в течение нескольких лет, всегда будет экономически выгодна для её владельца

Впрочем, эти расходы окупаются всего за несколько первых лет эксплуатации. Последующее использование коллектора позволяет сэкономить значительные средства. К тому же сам процесс монтажа не настолько сложен, чтобы приглашать для его выполнения сторонних специалистов. Если не заниматься бурением, то всё остальное можно сделать самостоятельно.

Как подобрать воздушный теплонасос

Выбор воздушного ТН не настолько сложен, как может показаться с первого взгляда. При подборе подходящей модели, следует ориентироваться на следующие параметры:

1. 1. Тип обогрева.

1. 1. Отапливаемая площадь.

1. Производитель.

Дополнительно определяют, какой вид котла будет использоваться в качестве резервного источника тепла. Как показывает практика, наиболее популярным остается воздушное отопление с подключением электрического котла, что позволяет полностью обойтись без газа.

Какой марки выбрать теплонасос воздушного типа

Если проанализировать отзывы о воздушных тепловых насосах, достаточно легко определить производителей оборудования, пользующихся наибольшим спросом у отечественного потребителя:

Vaillant – компания разработала целую серию экономичного оборудования geoTHERM. В ассортименте представлено оборудование, извлекающее тепло из земли, воды, воздуха и солнечных лучей. Продукция Vaillant максимально адаптирована для использования в условиях РФ.

Стоимость воздушного ТН с установкой

Стоимость монтажа воздушного ТН рассчитывается индивидуально, исходя из технических параметров помещения и других факторов.

Срок службы оборудования составляет не менее 20 лет. Установленное оборудование самоокупается уже через 3-5 отопительных сезонов, в зависимости от интенсивности эксплуатации.

Плюсы и минусы использования воздушных теплонасосов

Буквально 5 лет назад, отечественный потребитель практически не имел опыта отопления зданий зимой с помощью воздушных тепловых насосов. Приходилось довольствоваться высказываниями и исключительно положительными комментариями, расположенными на сайтах различных производителей техники, что не давало ясное представление о возможностях оборудования. С тех пор появился определенный опыт использования, позволивший выявить не только преимущества, но и недостатки воздушных ТН.

Преимущества

Работа насоса не влияет негативно на здоровье человека. Для обеспечения гигиенических условий, в системах, использующих принцип нагрева воздуха, достаточно время от времени чистить фильтры.

Недостатки

Зависимость от температуры окружающей среды. Особенности автономного отопления дома воздушным тепловым насосом напрямую связаны с общим объемом получаемой тепловой энергии. Чем ниже температура на улице, тем хуже работает насос. Начиная с -15°С, придется подключать резервный источник тепла. Если учесть, что на большинстве территорий РФ средний температурный режим выше, то становится понятным целесообразность данной установки. Оптимальные климатические зоны для использования воздушных отопительных тепловых насосов – это части России с умеренным климатом и средней температурой в зимний период не менее -15°С.

Если сравнивать воздушные ТН и газовое отопление, особенно с учетом того, что последние модели насосного оборудования способны сохранять работоспособность при -32°С, становится очевидным преимущество первых. Теплонасосы экономичны, не нуждаются в разрешении на эксплуатацию, монтируются в течение 1 дня и имеют более высокий КПД, чем газовое оборудование.

В последнее время, производители несколько снизили стоимость тепловых установок, что позволило еще большему количеству покупателей оценить достоинство станций. Если тенденция будет продолжаться, можно ожидать увеличенного спроса на теплонасосы.

Особенности тепловых насосов

Для получения тепловой энергии в ТН не используются энергоносители, и поэтому не наносится вред окружающей природе. Такая установка производит тепловой энергии больше, чем потребляет электроэнергии.

Принцип работы

В основе работы ТН лежит принцип переноса тепла от более холодного источника к более теплому. То есть более холодное он делает еще холоднее, а более теплое — еще теплее. Это значит здесь не заложена идея вечного двигателя, потому что в сумме количество тепла сохраняется неизменным, а электроэнергия тратится только на разделение и перенос тепла.

Для чего нужны

Тепловой насос можно применить как для отопления, так и для охлаждения, потому что при помощи его происходит разделение и перенос тепла. Значит ту часть установки, которая становится холоднее, можно использовать для понижения температуры, а другую часть — для повышения.

Расчет теплового насоса

Как мы уже упоминали выше, низкопотенциальными источниками тепла для таких насосов чаще всего бывают перечисленные ниже среды:

1. Воздух из наружного пространства с температурой в среднем от -15 до +25 градусов.
2. Воздух из обогреваемого помещения, его температура составляет +15 — +25 градусов.
3. Воздух, из подпочвенного зонда нагретый до плюс 4 — 10 градусов.
4. Воздух из геотермальных пластов, температура которого может быть 10 и более градусов.
5. Воздух из донных зондов незамерзающих водоемов с температурой 0 – 10 градусов, в том числе и полученный в зондах, установленных на каналах промышленных стоков предприятий.

Методика расчета

Любой тепловой расчет является сложнейшим процессом, осуществить который доступно только квалифицированным специалистам. Тем не менее, можно предложить упрощенную методику, достаточную для получения результата, определяющего выбор той или иной модели агрегата.

Расчет сводится к выполнению ряда этапов:

1. Определение величины тепловых потерь через ограждающие элементы строения – стены, потолки, чердачные помещения, окна, двери и прочее. Этого можно достичь, воспользовавшись следующей зависимостью:

Qок = S x (tвн – t нар) х (1 + ?b) x n : Rт, где

• расчетные значения теплопроводности материалов ограждающих конструкций;
• коэффициент рассеивания тепла с внутренних поверхностей;
• то же, для наружных поверхностей.

После проведения предварительных вычислений определяем суммарные потери тепла от различных факторов:

Qт.пот = Qок+Qи-Qбл, где

1. Основываясь на полученных результатах можно рассчитать потребность в электроэнергии в течение года. Для этого воспользуемся соотношением:

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

• tвн- желательная величина температуры во внутренних помещениях дома;
• t нар – фактическая наружная величина температуры;
• tнар.ср – среднегодовая величина температуры в регионе;
• d – протяженность отопительного периода, дней.

1. Желая иметь более достоверное представление о теплонасосе, нужно сделать расчет величины тепловой мощности, которая понадобится, чтобы разогреть воду в системе отопления дома. Это доступно с использованием такой расчетной формулы:

Qгор.в = V x 17 кВт/ за год, где:

Рекомендуется полученный результат увеличить на 10%, учитывая более интенсивную работу системы при пиковых нагрузках. Предварительный расчет мощности теплового насоса для отопления дома позволяет сделать безошибочный выбор установки.

Для выполнения расчета можно использовать специальный калькулятор, они в изобилии представлены в интернете

Как сделать тепловой насос своими руками из старого холодильника

Прежде чем приступить к изготовлению теплового насоса, необходимо выбрать источник тепла и решить вопрос со схемой работы установки. Кроме компрессора понадобится и другое оборудование, а также инструменты.

Выполнение схем и чертежей. Чтобы установить тепловой насос, необходимо сделать скважину, потому что источник энергии должен находиться под землей. Глубина скважины должна быть такой, чтобы температура земли составляла не менее 5 градусов. Для этой цели также подойдут любые водоёмы.

Конструкции тепловых насосов похожи, поэтому вне зависимости от того, каким будет источник тепла, можно использовать практически любую схему, найденную в сети. Когда схема будет выбрана, необходимо выполнить чертежи и указать в них размеры и места соединения узлов.

Так как рассчитать мощность установки достаточно трудно, можно воспользоваться средними значениями. Например, для жилого помещения, имеющего низкие теплопотери, потребуется отопительная система с мощностью 25 Вт на кв. метр. Для здания, которое хорошо утеплено, это значение составит 45 Вт на кв. метр. Если у дома, достаточно высокие теплопотери, мощность установки должна быть не менее 70 Вт на кв. метр.

Выбор нужных деталей. Если компрессор, снятый с холодильника, поломан, то предпочтительнее приобрести новый. Не рекомендуется производить ремонт старого компрессора, ведь в будущем это может негативно повлиять на работу теплового насоса.

Дополнительно потребуется приобрести следующие детали:

• герметичная тара из нержавейки объёмом 120 литров;
• емкость из пластика объёмом 90 литров;
• три трубы из меди разного диаметра;
• трубы из металлопластика.

Для работы с металлическими деталями понадобятся сварочный аппарат и болгарка.

Сборка узлов и установка теплового насоса

В первую очередь следует установить на стену компрессор, используя кронштейны. Следующий шаг – работа с конденсатором. Бак из нержавейки нужно разделить на две части при помощи болгарки. В одну из половин монтируется медный змеевик, затем емкость необходимо заварить и сделать в ней резьбовые отверстия.

Чтобы изготовить теплообменник, нужно намотать на емкость из нержавейки медную трубу и закрепить концы витков рейками. Присоединить к выводам сантехнические переходы.

Как только работа с узлами будет окончена, нужно подобрать терморегулирующий клапан. Конструкцию следует собрать и заправить систему фреоном (для этой цели подойдет марка R-22 или R-422).

Подсоединение к заборному устройству. Вид устройства и нюансы подсоединения к нему будут зависеть от схемы:

• «Вода-земля». Следует установить коллектор ниже линии промерзания земли. Необходимо, чтобы трубы находились на таком же уровне.
• «Вода-воздух». Такую систему устанавливать легче, так как нет необходимости в бурении скважин. Коллектор монтируется в любом месте около дома.
• «Вода-вода». Коллектор изготавливается из металлопластиковых труб, а после помещается в водоём.

Также можно установить для обогрева дома комбинированную отопительную систему. В такой системе тепловой насос работает одновременно с электрическим котлом и используется как дополнительный источник отопления.

Тепловой насос для обогрева дома вполне можно собрать самостоятельно. В отличие от покупки готовой установки, это не потребует больших финансовых затрат, а результат обязательно порадует.