Геотермальный тепловой насос своими руками для отопления дома

Среди всех систем альтернативного теплоснабжения дома наилучшими считаются тепловые насосы. Они отличаются не только конструкцией, но и эффективностью работы. Поэтому для выбора лучшей модели следует разобраться в принципе работы тепловых насосов для отопления дома.

Принцип действия геотермальных систем

Если вы никогда не прикасались к задней части своего домашнего холодильника, где расположена решетка теплообменника, то попробуйте это сделать. Вы обнаружите, что решетка горячая. Она нагревается оттого что передает наружу тепло из внутреннего пространства, где хранятся продукты. В результате температура внутри снижается, а снаружи тепло рассеивается в помещении кухни. То есть, холодильная машина переносит тепловую энергию из одного места в другое.

Тепловой насос – это та же холодильная машина, только действует наоборот. В том и состоит принцип работы геотермального отопления, чтобы тепло, имеющееся снаружи дома, перенести внутрь для его обогрева. Теоретически любое вещество или тело, чья температура выше абсолютного нуля (минус 273 ºС), содержит тепло в виде энергии движения молекул. Что уж говорить о температуре грунта ниже глубины промерзания, которая всегда постоянна и держится в пределах плюс 5—7 ºС.

Для справки. Убедиться в этом можно, опустившись в глубокий подвал. В нем температура воздуха одинакова круглогодично. Благодаря этому в летнюю пору геотермальные системы отопления могут работать наоборот, принося в дом прохладу вместо тепла.

Сама по себе температура +7 ºС для обогрева здания непригодна, это понятно. Задача, которую решает геотермальная система отопления, как раз и заключается в том, чтобы взять часть этого тепла, преобразовать и перенести в дом. С этой целью в земле устраивается теплосъемный контур из множества труб, проложенных ниже глубины промерзания. По контуру постоянно движется незамерзающая жидкость, побуждаемая циркуляционным насосом.

Нагревшись до температуры земли, жидкость попадает в теплообменник – испаритель. Там она обменивается теплом со вторым контуром, где циркулирует хладагент (фреон), находящийся под давлением, создаваемым компрессором. Благодаря этому хладагент испаряется при низкой температуре, отбирая большое количество тепла из первичного контура.

Далее, проходя расширительный клапан, фреон поступает во второй теплообменник – конденсатор. При этом его давление падает и хладагент конденсируется, передавая тепло уже третьему контуру – нашей системе отопления. В этом и заключается принцип геотермального отопления, когда система переносит энергию извне в дом с минимальными затратами. Ведь получается, что для ее работы нужна электроэнергия для вращения роторов двигателей компрессора и насосов. В среднем на обогрев частного дома площадью 300 м2 будет использоваться 3 кВт/ч электричества. Подробнее о принципе работы рассказано на видео:

Принцип работы тепловых насосов

Схема работы теплового насоса

Принцип работы тепловых насосов

Для лучшего понимания работы теплового насоса можно рассмотреть его самый распространенный вариант применения – в обычных холодильниках. В принципе воздушные тепловые насосы для отопления немного отличаются от них. Разница заключается в получении тепловой энергии, а не холода.

Читайте также:  Зачем нужен термостатический клапан для твердотопливных котлов

Узнать, как работает тепловой насос для отопления дома можно после рассмотрения общей схемы функционирования. Для генерирования тепла в конструкции имеется внутренний контур, по которому протекает хладагент. Он соединяется с трубами отопления дома с помощью теплообменника. Получение тепла от внешнего источника происходит за счет дополнительного контура. Рассмотрим, как работает отопление при помощи теплового насоса:

Принцип работы тепловых насосов
  1. Хладагент находится в газообразном состоянии. Он получает тепловую энергию от внешнего контура. При этом достаточно, чтобы температура газа поднялась до +10°С.
  2. Повышение давления хладагента для перехода его в жидкое состояние. Для этого воздушные тепловые насосы для отопления дома в обязательном порядке имеют компрессор. При этом температура жидкости повышается до +65°С.
  3. С помощью теплообменника происходит передача тепла воде системе отопления в доме.
  4. Дроссельный клапан и капельник снижают давление и тем самым провоцируют обратный переход хладагента из жидкого состояния в газообразное для повторения процесса.

Эффективно ли отопление дома с помощью теплового насоса? Во многих случаях эту систему устанавливают в качестве дополнительной для снижения затрат на основное теплоснабжение. Одним и недостатков является невозможность сделать тепловые насосы для отопления дома своими руками с нормальным показателем КПД и надежностью. Для изготовления понадобится сделать сложные расчеты и правильно подобрать материалы. Можно провести аналогию с бытовыми холодильниками – практически никто не делает их самостоятельно, предпочитая надежные заводские модели.

Принцип работы тепловых насосов

Практически все отзывы о тепловых насосах для отопления дома указывают на прямую зависимость источника тепла от первичного контура на показатель КПД устройства.

Принцип работы теплового насоса для отопления

Чтобы подробнее разобраться в процессе поглощения энергии и передачи ее в здание хочу поочередно описать работу аппарата.

  1. По трубам наружного теплообменника-испарителя постепенно движется фреон, он получает тепло, проходящее через металлические стенки, хладагент, в свою очередь, после закипания начинает испаряться.
  2. Газ следует в компрессор, этот элемент предназначен для нагнетания давления, основной задачей я считаю поднятие точки кипения вещества, чтобы фреон конденсировался при максимальном значении температуры.
  3. Газ, пройдя через внутренний блок, обращается в жидкое состояние и в этот момент отдает энергию.
  4. Прежде чем пройти повторный цикл, жидкая форма хладона пропускается через ресивер-влагоотделитель и дроселирующий аппарат.
Принцип работы теплового насоса для отопления

Я узнал, что для ТН могут применяться разные виды терморегулирующей арматуры, это обусловлено желанием производителей максимально снизить давление хладагента перед процессом испарения.

Как обогреть дом с помощью воздуха?

Итересный опыт использования теплового насоса типа «воздух-воздух» представлен в следующем видеоматериале:

Чтобы эффективно обогреть дом с помощью воздуха, необходимо выполнить три этапа работ:

  1. Обеспечить забор наружного воздуха, необходимого для работы теплового насоса.
  2. Собрать отдельные детали теплонасоса в единое устройство.
  3. Создать систему воздушного отопления дома.
Как обогреть дом с помощью воздуха?

Чтобы обеспечить приток наружного воздуха, используется мощный вентилятор. Его можно установить непосредственно у стены здания или на некотором расстоянии, выбрав подходящее место во дворе частного дома. Рекомендуется размещать вентилятор на открытом пространстве с хорошей циркуляцией воздушных потоков. Воздух будет поступать внутрь дома по специальным трубопроводам. Если вентилятор установлен во дворе, то понадобится провести два трубопровода: для забора воздуха снаружи и для обратного потока воздуха. Обычно трубы укладывают в траншею, вырытую в земле (при этом их необходимо утеплить), либо же пускают напрямую через стену.

Читайте также:  Русская печь своими руками: порядовая кладка русской печи

Наружный блок теплового насоса «воздух-воздух» можно разместить в подходящем месте с хорошей циркуляцией воздушных потоков: у стены дома или даже на его крыше

Основные характеристики

При выборе оборудования из всего многообразия характеристик обратите внимание на следующие характеристики.

Основные характеристики тепловых насосов
Характеристики Диапазон значений Особенности
Тепловая мощность, кВт До 8 Помещения площадью не более 80 – 100 м², при высоте потолка не более 3 м.
8-25 Для одноуровневых дачных домов с потолком , площадью от 50 м²; коттеджей для ПМЖ, до 260 м².
Свыше 25 Целесообразно рассматривать для 2-3 уровневых жилых домов с потолками ;  промышленных объектов – не более 150 м², при высоте потолка в 3 и более.
Потребляемая мощность  основного оборудования (предельное потребление вспомогательных элементов) кВт/ч От 2 (от 6) Характеризует энергопотребление компрессора и циркуляционных насосов (тэна).
Схема работы Воздух-воздух Трансформированная тепловая энергия воздуха передаётся в помещение потоком прогретого воздуха через сплит-систему.
Воздух — вода Энергия, снятая с пропущенного через прибор воздуха, передаётся теплоносителю жидкостной отопительной системы.
Рассол-вода Передачу тепловой энергии от возобновляемого источника выполняет натриевый или кальциевый раствор.
Вода-вода По магистрали открытого первичного контура грунтовые воды несут тепловую энергию прямо к теплообменнику.
Температура теплоносителя на выходе, °С 55-70 Показатель важен для расчёта потерь на длинном отопительном контуре и при организации дополнительной системы горячего теплоснабжения.
Сетевое напряжение, V 220, 380 Однофазные – потребляемая мощность не более 5.5 кВт, только для стабильной (малонагруженной) бытовой сети; самые дешёвые – только через стабилизатор.  Если есть сеть 380 V, то трёхфазные приборы предпочтительнее – больший диапазон мощностей,  меньше вероятность «просадить» сеть.

Применение тепловых насосов в условиях российского климата

Познакомившись с приведенными выше описаниями различных типов тепловых насосов, вы без труда сами сможете ответить на вопрос, какой насос больше всего подходит для эксплуатации в условиях российского климата.

Воздушные тепловые насосы пригодны для применения лишь в ограниченном числе регионов нашей страны – там, где температура воздуха зимой почти не опускается ниже нулевой отметки. Разумеется, жителям Сибири, Дальнего Востока, севера европейской части России о воздушных тепловых насосах не стоит и размышлять.

Для применения водяных тепловых насосов есть много ограничений. О некоторых из них мы уже рассказывали, осталось упомянуть еще об одном. Более половины территории нашей страны находится в зоне вечной мерзлоты. Если даже какому-нибудь жителю Восточной Сибири или севера Дальнего Востока «повезло», и на его участке есть грунтовые воды, залегающие не слишком глубоко, то все равно эти грунтовые воды находятся в виде льда, а значит, не пригодны для использования в системе отопления.

Таким образом, большинству наших соотечественников приходится рассчитывать на единственный, беспроигрышный, вариант – грунтовый тепловой насос. При этом в условиях российского климата больше подойдет насос не с горизонтальным коллектором, а с геотермальным зондом, позволяющим достигнуть глубины, где температура грунта более стабильна.

Читайте также:  Как сделать двухколпаковую отопительно-варочную печь

Минусы и недостатки системы геотермального отопления

Земные недра – известный с древнейших времен источник тепла. На глубине 6 метров от поверхности грунта начинается область стабильной температуры, которая круглогодично равняется средней годовой температуре атмосферы региона (примерно +15 ⁰С в умеренной климатической зоне). Поговорим про минусы геотермального отопления.

Сегодня тепло Земных недр активно используется для организации геотермального отопления.

Разумеется, несмотря на неиссякаемость тепловой энергии грунта, организация геотермального отопления сопряжена со множественными сложностями, как технического, так и экономического характера.

Минусы и недостатки системы геотермального отопления

С точки зрения финансовой выгоды, установка геотермальной системы уступает традиционному твердотопливному, газовому и электрическому обогреву.

Главные недостатки геотермального отопления

1. Необходимость электрической энергии. Простейшая геотермальная система требует для получения 4 (кВт) тепловой энергии не менее 1 (кВт) электричества.

Забор тепла от грунта не происходит сам по себе. Для теплообмена обязательно и непременно используется насос. Случись что с электросетью, отопительный контур сразу перестанет обеспечивать объект теплом, так как тепловой насос остановится без электропитания.

2. Низкий уровень теплоотдачи. Традиционная горизонтальная система геотермального отопления, которая уходит под землю на глубину 15-30 метров, обеспечивает лишь 40 (Вт) тепловой энергии с каждого погонного метра подземной магистрали.

Минусы и недостатки системы геотермального отопления

Для получения 4 (кВт) тепловой энергии нужно задействовать не менее 100 (м) трубопроводного контура. Если же планируется отапливать объект общей площадью 250 (м2) (высота потолка 2,5-3 метра), нужно задействовать систему отопления мощностью не менее 27,5 (кВт). Для работы такого оборудования понадобится минимум 688 метров погонных подземного трубопровода.

Это далеко не все недостатки геотермального теплового насоса.

3. Ограниченная сфера применения. Геотермальное отопление возможно установить далеко не на каждом объекте. К примеру, отапливать отдельную квартиру в многоэтажке или какой-нибудь магазин в центральных районах города точно не получится. Разрабатывать грунт на территории густонаселенных жилмассивов вряд ли кто-то разрешит.

Другое дело, если геотермальное отопление организовывается на территории жилищного объекта из частного сектора или для какого-нибудь предприятия на окраине города.

4. Высокая стоимость установки геотермального отопления. Само оборудование для организации геотермального отопления стоит минимум в 10 раз дороже аналогичной по мощности газовой техники.

Минусы и недостатки системы геотермального отопления

Но покупка оборудования является далеко не полной статьей расходов. В сумму установки геотермального отопления нужно дополнительно включить расходы на создание и обустройство подземных коммуникаций. Не нужно забывать и про пусконаладочные работы, а также обслуживание.

Геотермальное отопление обходится очень дорого.

5. Длительная окупаемость. Срок окупаемости среднестатистической геотермальной системы во многом превышает 10-15 лет. Большой срок окупаемости обусловлен высокой стоимостью оборудования и монтажа коммуникаций.

Для сравнения, традиционный бытовой газовый котел мощностью до 12 (кВт) окупается в среднем за 5 лет.

Вывод

Минусы и недостатки системы геотермального отопления

Конечно, минусы данного типа отопления хорошенько компенсируются преимуществами геотермальных систем. Стоит отметить, что геотермальное отопление не наносит вреда экологии. Если вы приверженец “зеленой энергетики” и не сильно ограничены в бюджете, то грех не использовать геотермальную энергию.

Еще одним важным преимуществом геотермальных коммуникаций является неприхотливость к обслуживанию. Так же как и к хорошему холодильнику, к геотермальному насосу можно не подходить для сервиса на протяжении первых 30 лет точно.