Тепловой насос. Расчёты
Расчёты по тепловому насосу
В наших рекомендация мы рассматриваем вариант установки грунтового теплого насоса, работающего по принципу "рассол - грунт" и требующего бурения скважин для геотермальных зондов. Тепловой насос - это лучшее экологическое решение для обогрева дома и подготовки горячей воды.
Схематично технология теплового насоса может быть представлена в виде единой системы, состоящей из трех контуров. В первом контуре находится теплоноситель, переносящий энергию от источника тепла, во втором контуре циркулирует хладагент (фреон), который периодически то испаряется, отбирая тепло у первого контура, то вновь конденсируется, отдавая его третьему контуру. И, наконец, по третьему контуру «бегает» теплоприемник, в нашем случае – вода, переносящая тепло по системе отопления. Задача последнего контура взять от земли максимум тепла и вернуть его в систему. Так на выходе из системы в землю температура может быть ноль градусов, а после прохождения контура в земле она должна подняться до плюс шести градусов. Температура земли на глубине нескольких десятков метров практически не подвержена сезонным колебаниям и всегда находится в положительном диапазоне.
Главным элементом системы является компрессор, задача которого сжатие газа (хладареагента). Давление газа возрастает в несколько раз, при этом он существенно разогревается: если на входе в компрессор температура
хладагента составляет 6-10°C, то на выходе уже около 60°C. За счёт высокой температуры на выходе происходит передача тепла контуру отопления (первому контору). После передачи тепла разогретый газ сам конденсируется, то есть переходит в жидкое состояние. Затем избыточное давление сбрасывается с помощью дроссельного клапана, и цикл начинается заново.
По своей сути, устройство теплового насоса не отличается принципиально от устройства обыкновенного холодильника. В нашем случае происходит обратный эффект. Ничего сложного. Если в случае холодильника тепло, отнимаемое у хранящихся внутри продуктов, выбрасывается впустую, то энергия, вырабатываемая тепловым насосом, приносит реальную пользу – тратится на целенаправленный обогрев дома. Принцпип работы теплового насоса виден на приведенной схеме.
Главным элементом системы является компрессор, задача которого сжатие газа (хладареагента). Давление газа возрастает в несколько раз, при этом он существенно разогревается: если на входе в компрессор температура
хладагента составляет 6-10°C, то на выходе уже около 60°C. За счёт высокой температуры на выходе происходит передача тепла контуру отопления (первому контору). После передачи тепла разогретый газ сам конденсируется, то есть переходит в жидкое состояние. Затем избыточное давление сбрасывается с помощью дроссельного клапана, и цикл начинается заново.
По своей сути, устройство теплового насоса не отличается принципиально от устройства обыкновенного холодильника. В нашем случае происходит обратный эффект. Ничего сложного. Если в случае холодильника тепло, отнимаемое у хранящихся внутри продуктов, выбрасывается впустую, то энергия, вырабатываемая тепловым насосом, приносит реальную пользу – тратится на целенаправленный обогрев дома. Принцпип работы теплового насоса виден на приведенной схеме.
Для размещения этой системы не требуется больших площадей, как в случае с газом, где есть требования по устройству отдельного помещения. Вы можете пробурить скважины в любой части вашего участка – там, где вам это удобно. Главный недостаток грунтовых тепловых насосов с геотермальными зондами – высокая стоимость работ по бурению скважин. Однако, именно на этих расходах можно существенно сэкономить, если их делать самим.
Принцип действия тепловых насосов основан на способности хладагента поглощать или отдавать тепло при изменении своего агрегатного состояния. По своей сути такие насосы мало чем отличаются от обыкновенных бытовых холодильников по схеме своей работы.
Чтобы выбрать подходящий к установке тепловой насос следует рассчитать его мощность.
В основу расчётов закладывается баланс тепла в здании. Заранее следует позаботиться об утеплении дома и установке стеклопакетов с низкой теплопроводностью, что снизить тепловые потери здания, а значит и стоимость работ и оборудования.
Самостоятельно расчёт мощности обогрева теплового насоса можно индикативно сделать при помощи простой формулы:
R=(К x V x T)/860, в которой:
R — теплопотери/потребляемая мощность помещения (ккал/час);
К — средний коэффициент потерь тепла зданием: например, равно 0,6 — это отлично утепленный дом с минимальными теплопотерями, 1 - это дом из кирпича в два слоя, а 4 — плохо утепленное, к примеру сарай из щитовой доски;
V — суммарный объем всего отапливаемого помещения, в куб.м;
T — максимальный перепад температуры между улицей и внутри помещения.
860 — значение, необходимое для перевода получившихся ккал в кВт.
Рассчитаем на примере дома со следующими исходными данными:
- отапливаемая площадь 200 кв.м.;
- высота потолков 2,5 м;
- здание хорошо утеплено;
- минимальная температура зимой на улице -15 градусов;
- комфортная температура в помещении +20 градуса.
Отапливаемый объем помещения V равен: 200 кв.м. х 2,5 м = 500 куб.м.
Значение Т равно: 20 - (-15) = 35 градусов.
Подставляем эти данные в формулу: R=(0,6 x 500 x 35) / 860 = 12,2 кВт.
Соответственно требуемая мощность обогрева теплового насоса - 12,2 кВт.
Требуемая тепловая мощность на отопление и горячее водоснабжение: 15,3*1.25=15,3 кВт. Лучше сделать еще определённый запас по мощности +10%.
Получаем 16,8 кВт. Потребление электричества таким тепловым насосом не превысит 3,4 кВт/час (работает непостоянно, а по мере необходимости с учётом установленного теплоаккумулятора).
Разность тепловой мощности компенсируется теплоотдачей земли. В нашем случае геотермальными зондами, которые должны дать оставшиеся 13,4 кВт. Детально о геотермальных зондам можно ознакомиться в отдельном разделе:
Полезные разделы для ознакомления:
Важным показателем работы теплового насоса является коэффициент эффективности – это отношение выработанной насосом тепловой энергии к потребленной им электрической, по сути, это КПД теплового насоса. В случае с водяным тепловым насосом этот коэффициент равен 5. Это означает, что при потреблении 1 кВт*ч электроэнергии установка вырабатывает 5 кВт*ч тепловой энергии. Тепловой насос - это обычный электрический бытовой прибор, который расходует в 5 раза меньше электричества, чем обычный электрический котел.
При теплоотдаче (средний показатель) 50 Вт/м необходимо будет сделать скважин на общую глубину 268 метров. Это одна из основных статей расходов на устройство теплового насоса, которую можно снизить за счёт собственных усилий.