8342 246-94-92, 89504639675

Опрос:
понравился ли вам наш сайт?
Спасибо за участие в нашем голосовании.
Главная / Тепловые насосы

ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

Общая информация

Тепловые насосы является прекрасной альтернативой традиционным источникам тепловой энергии – котлам и прямому электрическому отоплению, а в некоторых случаях, например при отсутствии подведенных газовых сетей и недостаточных мощностях в электрических сетях, единственным надежным современным источником тепловой энергии. Очень часто стоимость подводки газовых сетей сопоставима со стоимостью теплового насоса и работ по его установке.

По сравнению с котлами тепловые насосы отличаются тем, что используют бесплатные и возобновляемые источники энергии: окружающий и отходящий воздух систем вентиляции, грунт, воду подземных источников и открытых незамерзающих водоемов, сточные и сбросовые воды технологических процессов. Они имеют отношение полученной энергии к затраченной порядка 3-7, что недоступно никакому котлу, не требуют подвода газовых сетей или создания топливохранилищ, не загрязняют атмосферу, поскольку не создают никаких выбросов, взрывобезопасны, для их работы необходимо только электричество, которое, во-первых, дорожает не так сильно, как газ или дизельное топливо (например, с 1996 г. по 2004 г. стоимость электроэнергии выросла в 3 раза, стоимость дизельного топлива в 6 раз, стоимость газа в 30 раз), а во-вторых, использование индивидуальных солнечных, ветровых или небольших гидроэлектростанций позволяет создать полностью автономную систему.

Кроме того, срок службы тепловых насосов значительно превосходит срок службы котлов. Если срок службы котла составляет 10 – 15 лет, то срок службы теплового насоса 20-50 лет.

По сравнению с прямым электрическим обогревом, тепловые насосы потребляют в 3-7 раз меньше электричества для выработки такого же количества тепловой. К тому же тепловые насосы могут использоваться как для отопления в холодный период года, так и для охлаждения в жаркий. Очень эффективно комбинирование теплового насоса с солнечным коллектором Viessmann, который используется для получения горячей воды летом, в то время как первичный контур теплового насоса получает достаточное время для регенерации. Кроме того, солнечный коллектор может быть использован и в качестве регенератора и для накопления тепловой энергии в грунте вокруг труб теплового насоса.

По прогнозам Международного Агентства по Энергетике к 2025 г. 75% систем отопления будут работать на геотермальных (использующих тепло грунта и подземных вод) тепловых насосах.

Тепловые насосы могут использоваться как основные источники энергии, так и дополнительные для утилизации тепла сточных вод, канализации, воздуха вентиляции и технологических процессов. Они могут применяться для отопления, приготовления горячей воды, для сушки различных материалов, для охлаждения помещений и т.п.

Принцип действия теплового насоса прост. Практически в каждом доме есть «тепловой» насос – это обычный холодильник, который отбирает тепло продуктов и передает его окружающему воздуху через теплообменник, расположенный сзади холодильника. Более точно принцип действия теплового насоса заключается в следующем: хладогент (фреон) нагревается в испарителе до -5…25 С от тепла земли, воздуха, воды, закипает и испаряется. Полученный пар сжимается компрессором и при росте давления температура фреона поднимается до 35-65о С. Эта теплота передается через теплообменник конденсатора воде отопительного контура, которая нагревается до 35 – 55оС, и фреон конденсируется. Дроссельный клапан сбрасывает давление, перепуская хладогент в испаритель. Цикл повторяется. Чем выше температура первичного источника, тем больше мощность теплового насоса.

Проектирование теплового пункта и подбор сопутствующего оборудования с тепловым насосом аналогично проектированию с котлом, с учетом того что необходимо дополнительно установить в систему отопления бак-резервуар объемом 10 – 20 л на 1 кВт мощности на подаче, в случае насосов типа воздух-вода и на обратной линии в случае насосов типа вода-вода, грунт-вода, а также возможность подключения через трехходовой смесительный клапан дополнительного источника энергии, при его установке на обратной линии. При установке бака-резервуара на подающей линии электронагреватель может быть встроен в него. Бак водонагреватель для получения горячей воды должен быть установлен дополнительно. Кроме того следует помнить, что максимальная температура получаемой горячей воды составляет 55о С, что применимо в случае систем напольного, настенного и низкотемпературного радиаторного отопления и естественно приготовления горячей воды.

    Используемые источники низкопотенциального тепла:

  • Наружный воздух: от -15 до + 15 С.
  • Отводимый воздух: 15-25 С
  • Подпочвенная вода: 4 – 10 С
  • Озерная вода: 0 – 10 С
  • Речная вода: 0 – 10 С
  • Поверхностный грунт: 0 – 10 С
  • Глубокий (>20 м) грунт: 10 С
  • Грунтовые воды: >10 C

Тепловой насос тип Воздух-вода При использовании окружающего или вентиляционного воздуха он подается в теплообменник с помощью вентилятора. Насос может быть расположен внутри помещения или снаружи (защищенные модели)
Тепловой насос тип Вода-вода При использовании в качестве источника тепла грунтовой воды она подается из скважины с помощью насоса в теплообменник и закачивается в другую скважину, либо сбрасывается в водоем.
Тепловой насос тип Грунт-вода В случае использовании грунта возможны два варианта: укладка труб в траншеи глубиной 1.2-1.5 метра (ниже глубины промерзания примерно на 20 см, но более глубокая укладка опасна тем, что намерзший в результате работы вокруг труб лед не успеет растаять за весну и лето), либо в вертикальные скважины глубиной 20-100 м. Подбор диаметров труб проводится исходя из гидравлических потерь давления для требуемого расхода теплоносителя. В качестве теплоносителя необходимо использовать антифриз (раствор гликоля). Расчет расхода жидкости проводится для dТ 3 – 5о С. Если одной трубы недостаточно, можно использовать коллекторную систему, аналогичную применяемой в системах напольного и радиального радиаторного отопления. Съем тепла на 1 м трубы зависит от многих параметров (глубины, наличия грунтовых вод, качества грунта …). Ориентировочно можно считать, что для горизонтальных коллекторов съем тепла составляет 20 Вт на 1 метр трубы, а для вертикальных 50 Вт на 1 м скважины (зонда), т.е. для обогрева дома с потребностью в тепле 10 кВт (коттедж площадью 200 м2), необходимо две скважины глубиной по 100 м, либо поверхностный коллектор с суммарной длиной труб 500 м). При использовании тепла водоема на его дне укладывается петля из металлопластиковой трубы Henco, либо пластиковой трубы при больших диаметрах. Труба укрепляется с помощью грузов.

Проектирование и монтаж тепловых насосов

Проектирование вторичного контура теплового насоса аналогично проектированию котла с одноступенчатой горелкой. Тепловой насос работает в режиме включено/выключено. Во включенном состоянии вода нагревается до 55 С, а в моделях серии 350 до 65 С. Для получения меньших температур ставят специальный бак-аккумулятор, температура воды в котором поддерживается автоматикой.

В контроллер тепловых насосов Viessmann СD 60 заложено 160 различных схем. Мощность теплового насоса указывается, как правило, для температуры поступающего гликоля 0 С и для температуры получаемой горячей воды - 35 С. Соответствующая мощность ТН для 55 С будет на 5 - 20% меньше по сравнению мощности для 35 С, в зависимости от модели насоса.

Мощность теплового насоса можно подбирать исходя из моновалентного или бивалентного режима работы.

Моновалентный режим означает, что тепловой насос используется как единственный генератор тепловой энергии. Но поскольку продолжительность стояния очень низкой температуры воздуха составляет небольшую часть от времени отопительного сезона, например для Центрального района России температура стояния менее -10о С составляет всего 900 (38 суток) часов по сравнению с 5112 ч всего отопительного сезона, а средняя температура января примерно -10о С, имеет смысл использовать бивалентный режим, когда используется дополнительный генератор тепла: электронагреватель, газовый, дизельный, твердотопливный котел который включается, когда температура воздуха опускается ниже определенной температуры (например -5о С в Южных регионах России, или -10о С в Центральной России). Использование бивалентных систем имеет смысл, поскольку стоимость теплового насоса и особенно работ по монтажу первичного контура (прокладка траншей, бурение скважин и т.п.) сильно растет при возрастании мощности теплового насоса.

При установке тепловых насосов следует позаботиться об утеплении здания и установить стеклопакеты с низкой теплопроводностью. Теплопотери должны быть снижены до 40-80 Вт/м2. Это вполне реальная задача с учетом того, что сейчас нет недостатка в современных изоляционных материалах и энергоэффективных окнах.

Для расчета потерь тепла лучше обратиться к специалистам в компанию Риссерт.

Для примерного расчета можно использовать следующие оценки: очень хорошо изолированные здания – 30 Вт/м2, средне изолированные здания – 50 Вт/м2, обычные здания с изоляцией – 80 Вт/м2, здания без изоляции – 120 Вт/м2. К этим потерям тепла нужно добавить энергию, необходимую для нагрева воды. Потребность в горячей воде составляет 80 – 100 л на человека (примерно 0,2 кВт на человека).

Для нагрева воды бассейнов можно использовать следующие оценки: крытый бассейн – 50-150 Вт/м2, открытый в защищенном месте – 50-200 Вт/м2, частично защищенном месте – 100-300 Вт/м2, в незащищенном месте – 200-500 Вт/м2.

Нужно учесть также потери тепла в линиях циркуляции горячей воды.

В случае возможных отключений электричества нужно увеличить мощность устанавливаемого теплового насоса на коэффициент, рассчитываемый по формуле

f=24ч/(24ч – Время отключения)

Например, для времени отключения 4 ч коэффициент f=1,2.

Например, для коттеджа площадью 200 м2 на 4 человек при теплопотерях 70 Вт/м2 (при расчете на -28 С наружной температуры воздуха) потребность в тепле будет 14 000 Вт. Добавим 700 Вт на нагрев воды. Получится 14 700 Вт. Кроме того, при возможности временного отключения электричества нужно увеличить это число на соответствующий коэффициент. Так при ежедневном отключении 4 ч, коэффициент будет 1,2. Мощность теплового насоса должна быть 17 600 Вт.

В данном случае для моновалентного режима можно выбрать тепловой насос Viessmann типа грунт-вода Vitocal 300 мощностью 16 600 Вт.

Для бивалентной системы с дополнительным электрическим нагревателем и температуры уставки -10 С (температуры наружного воздуха, когда включается дополнительный генератор тепла), при общих теплопотерях 70 Вт/м2, примерные потери тепла при расчете на -10о С наружной температуры воздуха будут 44 Вт/м2. Общая потребность тепла с учетом горячей воды и коэффициента запаса мощность теплового насоса должна быть 11 400 Вт. Мощность электрического нагревателя должна быть 17 600 – 11 400=6 200 Вт/ч. Таким образом, нужно дополнительно установить электрокотел на 6,2 кВт/ч.

Общая потребность в энергии на отопление для такого коттеджа за отопительный сезон составит примерно 34 500 кВт. При прямом электрическом нагреве стоимость электричества составит 62 500 руб. за сезон при тарифе 1,8 руб./кВт. При этом необходим электрический котел (или электронагреватели) мощностью 14 кВт, что создает большую нагрузку на электрические сети. Стоимость электричества за сезон при использовании теплового насоса для отопления того же коттеджа составит примерно 17 250 руб. при моновалентном режиме, а потребляемая электрическая мощность всего 5 кВ. При бивалентном режиме, плата за электроэнергию, потребленную тепловым насосом, составит 16 500 руб., а плата за работу дополнительного электрического котла составит 2 250 руб. за сезон. Суммарная нагрузка на электрические сети в пиковый период будет 9,4 кВт.

Плата за энергоносители для коттеджа площадью 200 м2:

Прямой электрический обогрев 62 500 руб. за сезон*
Тепловой насос, моновалентный режим 11 500 руб. за сезон*
Тепловой насос, бивалентный режим 12 500 руб. за сезон*
Дизельный котел с регулированием 25 500 руб. за сезон
Газовый котел 15 кВт с модулированной горелкой 7 500 руб. за сезон
Газовый котел 15 кВт при мировых ценах 230 $ за 1000 м3 30 500 руб. за сезон
Для примерной оценки при подборе теплового насоса работающего в бивалентном режиме можно ориентироваться на соотношения 80/20, 70/30 (для центрального региона России), т.е. 80 или 70% потребности в тепле покрываются тепловым насосом, а оставшиеся 20-30% электрическим (или другим) котлом. В южных регионах можно выбрать температуру уставки -5о С и тогда соотношение мощности теплового насоса и дополнительного генератора тепла может быть 50/50. Такое соотношение часто используется в Западной Европе.

 

Проектирование теплового пункта и подбор сопутствующего оборудования с тепловым насосом аналогично проектированию с котлом, с учетом того что необходимо дополнительно установить в систему отопления бак-резервуар объемом 10 – 20 л на 1 кВт мощности на подаче, в случае насосов типа воздух-вода и на обратной линии в случае насосов типа вода-вода, грунт-вода, а также возможность подключения через трехходовой смесительный клапан дополнительного источника энергии, при его установке на обратной линии. При установке бака-резервуара на подающей линии электронагреватель может быть встроен в него. Бак водонагреватель для получения горячей воды должен быть установлен дополнительно. Кроме того следует помнить, что максимальная температура получаемой горячей воды составляет 55о С, что применимо в случае систем напольного, настенного и низкотемпературного радиаторного отопления и естественно приготовления горячей воды.

Примеры использования тепловых насосов в России:

  • В 1998-2002 г. В Москве в микрорайоне Никулино-2 была построена теплонасосная установка горячего водоснабжения 17 - этажного жилого дома, которая в качестве источника тепла использовала низкопотенциальное тепло грунта (было сделано 8 скважин по периметру здания глубиной от 32 до 35 м каждая) и тепло удаляемого вентиляционного воздуха. (АВОК 2/2003).
  • В 2004 г. была введена в эксплуатацию экспериментальная автоматизированная теплонасосная установка мощностью 2 000 кВт (теплота утилизации 1700 кВт), утилизирующая теплоту неочищенных сточных вод, предназначенная для подогрева водопроводной воды до 30о С перед котлами районной тепловой станции №3 г. Зеленограда. Неочищенные сточные воды с температурой 20о подаются в теплообменник, где отдают тепло промежуточному теплоносителю – воде, охлаждаясь до температуры 15о. Суммарный расход сточных вод – 400 м3/ч. Промежуточный теплоноситель (вода) подается в теплообменник с температурой 8о С из фреонового теплообменника и возвращается с температурой 13о С. Потребление электроэнергии составило 500 кВт, расход подаваемой нагретой воды колебался от 70 до 180 м3/ч , экономия энергии составила 75 %. (АВОК 5/2004).
  • Тепловой насос мощностью 10 кВт в 2004 г. был установлен в двухэтажном коттедже площадью 220 м2 под Ижевском. В качестве первичного контура применили полиэтиленовую трубу Д 40мм длиной 480 м, уложенную в траншею длиной 125 м и глубиной 2,8 м в два яруса. Предположительно съем тепла с такого коллектора составляет 20-25 Вт/м. Такая система полностью удовлетворяла потребности дома в тепле и горячей воде. (Журнал СОК, 08/2005).
  • Тепловой насос мощностью 16 кВт в 2005 г. был установлен в Ижевске для отопления офиса площадью 720 м2. В качестве первичного контура использовали полиэтиленовую трубу Д 40 мм, опущенную в две скважины глубиной по 100 м. Предположительный съем тепла составляет 45 Вт/м. При очень низких температурах мощности теплового насоса не хватает, поэтому в тепловой контур через систему автоматики были встроены пиковые доводчики (догреватели). Эксплуатация показала, что на 1 кВт, затраченной электроэнергии получалось 3,2 – 3,4 кВт тепловой энергии. Были получены также данные по затраченной электрической энергии. Фирма при отапливаемой площади 720 м2, заплатила за электроэнергию в феврале – 15248 руб., марте – 12184 руб., апреле – 7219 руб. По тарифу 1,94 руб./(кВт*ч) в дневное время и 0,63 руб./(кВт*ч) в ночное время, что в расчете на 1 м2 составляет: в феврале – 21,1 руб., марте – 16,9 руб., апреле – 10 руб. Среднемесячная стоимость составляет 11,5 руб./м2, что сопоставимо со стоимостью платы за отопление от тепловых сетей (10 руб./м2). Стоимость теплового насоса, сопутствующего оборудования и монтажа, включая скважины, составила 400000 руб. (Журнал СОК, 08/2005).

При использовании тепла водоема на его дне укладывается петля из металлопластиковой трубы Henco, либо чаще трубы из полиэтилена низкого давления. Труба укрепляется с помощью грузов. Съем тепла зависит от температуры водоема. Ориентировочно можно считать 50 Вт/м.

В случае использовании грунта возможны два варианта: укладка металлопластиковых труб Henco в траншеи глубиной 1,2 -1,5 метра (примерно на 0.2 м ниже глубины промерзания, но более глубокая укладка опасна тем, что лед, намерзший в результате работы вокруг труб, не успеет растаять за весну и лето), либо в вертикальные скважины глубиной 20-100 м. Иногда трубы укладывают в виде спиралей в траншеи глубиной 2-4 м. Срок службы такой траншеи составляет порядка 20-25 лет. Удобство такого способа укладки в меньшей суммарной длине траншей, например, для суммарной длины укладываемых труб в 800 м нужна траншея длиной 25 м. Максимальная теплоотдача поверхностного грунта составляет 50-70 кВт*ч/м2 в год.

Съем тепла на 1 м трубы зависит от многих параметров (глубины, наличия грунтовых вод, качества грунта …). Ориентировочно можно считать, что для горизонтальных коллекторов съем тепла составляет 20 Вт/м.

Более точно: сухой песок – 10 Вт/м; сухая глина - 20 Вт/м; влажная глина – 25 Вт/м; глина с большим содержанием воды – 35 Вт/м.

На участке, над коллектором, не должно быть строений, чтобы летом прошла регенерация за счет солнечной радиации, поскольку только примерно 20% тепла поступает из поверности земли. Для Северо-Западного региона России с глубиной промерзания на 1.5 м глубина укладки должна составлять примерно 0.7 м. С другой стороны интенсивность солнечной радиации на этой глубине меньше, поэтому в расчетах лучше ориентироваться на 10-15 Вт/м.

Минимальное расстояние между проложенными трубами должно быть 0,7-0,8 м. Длина одной траншеи должна быть от 30 до 120 м. В качестве теплоносителя нужно использовать раствор гликоля (25%). При этом нужно учесть в расчетах, что теплоемкость будет 3,7 кДж/кгК при 0о С и концентрации гликоля 25%, плотность 1,05 г/см3, а потери давления в трубах будут в 1,5 раза больше по сравнению с водой.

Расход гликоля вычисляется по формуле:

Vs=Qo*3600/(1,05*3,7*dt)

Qo=Qwp-Pel,

где Qwp – мощность теплового насоса, Pel – вклад электричества в нагрев фреона. Qo – количество тепла в кВт, забираемое из грунта.

dt – разность температур между подающей и возвратной линиями, часто принимают равной 3 К.

Суммарная длина труб вычисляется по формуле

l=Qo/q, где q – теплосъем с 1 м трубы.

Общая площадь участка вычисляется по формуле

A=l*da, где da – расстояние между трубами (шаг укладки)

Пример монтажа теплового насоса с забором тепла из приповерхностного слоя земли

Монтаж Тепловых насосов типа Грунт-вода

Пример:

  1. Теплопотребность здания – 12 кВт (Коттедж площадью 120 – 240 м2 в зависимости от утепленности).
  2. Температура воды в системе отопления должна быть 35 С
  3. Минимальная температура гликоля – 0 С.
  4. Выбираем тепловой насос Viessman Vitocal 300 BW 212 мощностью 12,8 кВт (ближайший больший). Величина Pel этого насоса 2,8 кВт. Количество теплоты, которое необходимо получить из земли будет равно Qo=12,8 – 2,8 = 10 кВт
  5. Теплосъем с поверхностного слоя (сухая глина) – 20 Вт/м
  6. Суммарная длина труб L=Qo/q=10 кВт/0,020 кВт/м=500 м
  7. Нужно использовать 5 контуров длиной по 100 м.
  8. Необходимая площадь участка А=500 м х0,75 м=375 м2
  9. Общий расход гликоля 3,2 м3/ч, расход через один контур 0,64 м3/ч
  10. Нужно выбрать трубу 32x3. Потери давления 80 Па/м. Сопротивление одного контура примерно 8 кПа. Скорость гликоля 0,35 м/с.

При использовании вертикальных скважин глубиной от 20 до 100 м в них вставляются 2 U-образные металлопластиковые трубы Henco или чаще трубы из полиэтилена низкого давления. Теплосъем можно принять равным 50 Вт на метр глубины зонда. Как правило, в скважину вставляется две U-образные трубы и скважина заливается специальной глиной-бетонитом, которая при уменьшении количества воды немного расширяется, плотно охватывая трубы. Как правило, для заполнения скважины глиной под давлением примерно 6 бар вставляется еще одна ПНД труба, которая постепенно вытакивается. При таком способе не образуются воздушные пузыри. Можно также ориентироваться на следующие данные: Сухие осадочные породы (k<1,5 Вт/(м*К)) – 20 Вт/м Каменистая почва и насыщенные водой осадочные породы (k=1,5-3,0 Вт/(м*К) - 50 Вт/м Каменные породы с высокой теплопроводностью (k>3,0 Вт/(м*К)) – 70 Вт/м Подземные воды – 80 Вт/м

Температура грунта на глубине более 15 м постоянна и составляет примерно +10 С. Расстояние между скважинами должно быть больше 5 м. При наличии подземных течений, скважины должны располагаться на линии, перпендикулярной потоку.

Подбор диаметров труб проводится исходя из гидравлических потерь давления для требуемого расхода теплоносителя. Расчет расхода жидкости может проводиться для dТ 5 С. Если одной трубы недостаточно, можно использовать коллекторную систему, аналогичную применяемой в системах напольного и радиального радиаторного отопления.

Для уже рассмотренного примера в случае вертикальных скважин их суммарная глубина будет L=10 кВт/0,050 кВт/м=200 м. Рекомендуется пробурить три скважины глубиной по 70 м. В каждую скважину вставляются по две U-образные металлопластиковые трубы Henco диаметром 26х3 . Всего получится 6 контуров с длиной труб по 150 м. Расход гликоля при dt=5о С будет 2,1 м3/ч. Расход через один контур будет 0,35 м3/ч. Потери давления в трубе составят 96 Па/м для 25% раствора гликоля. Гидравлическое сопротивление контура 14,4 кПа. Скорость потока 0,3 м/с.

Поскольку температура антифриза может изменяться (от -5 до 20 С) нужно установить расширительный бак. Максимальное давление 2,5 бар, минимальное 0,5 бар.

Для хорошей работы теплового насоса рекомендуется установить бак-резервуар. Он нужен, так как компрессор работает в режиме включено/выключено. Слишком частые включения могут привести к ускоренному выходу компрессора из строя. Но бак-резервуар полезен и при отключениях электричества, как накопитель энергии. Бак устанавливается на возвратной линии. Минимальный объем бака рассчитывается исходя из 10-20 л на 1 кВт мощности. Бак можно не устанавливать в случае больших систем отопления.

При использовании второго источника энергии электрического или другого котла он подключается через смесительный клапан, привод которого управляется тепловым насосом или общей системой автоматики.

 

Монтаж Теплового насоса с забором тепла из скважин

Монтаж Теплового насоса тип Вода-вода

Проектирование земляного коллектора Теплового насоса

Подбор труб земляного коллектора Теплового насоса

При проектировании внешних контуров очень важно обеспечить правильные расходы гликоля выровняв длины трубопроводов, либо, лучше, установив балансировочные клапаны.

Проектирование вторичного контура

Вторичный контур проектируются также как и для теплогенератора с постоянной температурой подачи воды, например, котел с одноступенчатой горелкой. Как уже говорилось, часто ставят второй теплогенератор (электрокотел, дровяной котел и т.п.) который не только восполняет недостаток тепла при низких температурах, но и служит в качестве резервного источника тепла. На схеме дана схема объвязки вторичного контура с вторым теплогенератором.

 

Проект вторичного контура Теплового насоса с дополнительным теплогенератором

1- тепловой насос, 3- буферный бак Vitocell, C- котел, 9- бак ГВС, 18- теплообменник