Тепловой насос
Тепловой насос – это устройство, которое использует энергию земли для того, чтобы отопить наши дома. Тепловой насос работает по принципу холодильника, только наоборот. Он берет тепло у земли, воды или воздуха и отдает его на обогрев дома.
Несмотря на свою альтернативную составляющую, тепловой насос все же работает от электричества. Но потребляет его в очень малых количествах. Соотношение 4 к 1. То есть выдавая 20 кВт мощности насос будет потреблять всего 5 кВт.
Принцип работы теплового насоса
Хладагент попадает в испаритель во время циркуляции по кругу, расширяется, увеличивается в объеме и снижает уровень давления. В это время хладагент улетучивается, температура его понижается. Параллельно он берет тепло от испарителя, по которому движется теплоноситель и тепловая энергия земли попадает в тепловой насос.
Далее охлаждающая жидкость поступая в компрессор сдавливается и выбрасывается в конденсатор, где температура хладагента поднимается до 70-120C. В это время тепло передается теплоносителю и движется по теплообменному аппарату, подключенному к конденсатору. Тепловой насос работает от электричества. Надо сказать, что энергопотребление и расходы, которые затрачиваются при этом очень малы, что несомненно является немаловажным моментом для дополнительного отопления дома.
При функционировании теплового насоса, теплоноситель может достигнуть температуры более 100 С, этого вполне хватит, чтобы обеспечить ваш объект горячим водоснабжением и отопить его. Также, это дает вам возможность формировать резервы тепла, нагревая тепловой аккумулятор.
Чтобы сэкономить расход электроэнергии, тепловые насосы оборудуют термостатами. Термостаты служат для нагрева теплоносителя, чтобы держалась необходимая температура.
Тепловой насос — это отличный вариант альтернативного отопления частного дома
Виды тепловых насосов
Тепловые насосы, как альтернативное отопление частного дома, группируются по виду тепловой энергии. К наиболее распространенным и популярным вариантам относятся тепловые насосы, которые забирают энергию из воздуха. Меньшим спросом пользуются грунтовые и водные насосы. К основным недостаткам воздушных тепловых насосов можно отнести низкий уровень эффективности при низких температурах воздуха.
Самый большой недостаток теплового насоса, как альтернативного источника отопления дома – это цена. Окупаемость такой вещицы достаточно долгая на сегодняшний день. Но в виду постоянного удорожания энергоносителей и удешевление тепловых насосов, вскоре срок окупаемости будет минимальным.
Возможен ли монтаж альтернативного отопления своими руками
Большинство систем сложно установить самостоятельно, так как процесс монтажа требует специальных инструментов и навыков.
Схемы подключения ветрогенераторов подбираются индивидуально в зависимости от поставленной задачи. Ветряки подсоединяются к контроллеру, который заряжает аккумуляторы и передает электроэнергию на инвертор. Данная конструкция может прекрасно использоваться для обеспечения частного дома электричеством.
Тепловые насосы чаще всего устанавливаются вертикальным способом. Для монтажа оборудования понадобится бурение скважин на глубину более 50 метров. Размер контуров зависит от мощности теплового насоса. Иногда общая длина скважин достигает двухсот метров. Внешние контуры подключаются к насосу, который забирает из них тепло и передает его системе отопления дома. Низкотемпературное оборудование получает нагретый теплоноситель и отапливает здание.
Котлы для биотоплива монтируются на предварительно подготовленную стяжку, толщина которой составляет не менее 7 см. Для наиболее эффективной работы отопительной системы подключают буферную емкость, представляющую собой бак с водой.
Объем прибора рассчитывается в зависимости от мощности котла. Если отопительное оборудование является энергозависимым, то следует обеспечить подвод к нему электричества.
Дымоход, который устанавливают на котел для биотоплива, должен быть оборудован сборником конденсата и иметь диаметр не менее 18 сантиметров. Высота дымохода обычно составляет более четырех метров. Для защиты системы отопления от обратного давления и сифонного дренажа в нее монтируют обратный клапан, который располагается на трубе общей подачи воды. Регулировка жидкости и контроль температуры осуществляется при помощи балансировочного и смесительного клапанов.
Для установки солнечных коллекторов нужно подготовить каркас, на котором будет расположена гелиосистема. Для стабильности и безопасности системы в нее монтируется теплоаккумулятор и расширительный бак. Контроль и регулировка оборудования осуществляется при помощи манометра, подрывного клапана, воздухоотводчика, термометров, насоса, обратных клапанов, механического фильтра и расходометра. Установка гелиосистем требует точности и внимательности.
Дары природы: тепловые насосы и солнечные коллекторы
С точки зрения альтернативных, нескончаемых источников энергии данные способы, а вернее оборудование для обогрева дома, можно назвать наиболее предпочтительным и уникальным – особенно если говорить о втором варианте (солнечном коллекторе). Его работу вполне возможно наладить даже без использования электрической энергии. Рассмотрим данные способы отопления дома без газа немного подробнее.
Тепловые насосы. Они работают по тому же принципу, что и холодильник на вашей кухне, только с точностью до наоборот
Обратите внимание на нагретый радиатор холодильника с его задней стороны. Именно это тепло, только в больших масштабах, вырабатывает тепловой насос. Добывать тепловую энергию подобные устройства могут из земли, воды и даже из воздуха
Всем хороша эта система, но было бы намного лучше, если бы она обходилась без электричества и не требовала колоссальных затрат на ее изготовление – к сожалению, это бич всех энергонезависимых систем современности. Кроме всего прочего, такие отопительные системы потребуют создания целого комплекса оборудования. Это и разветвленная система подземных трубопроводов, которая впитывает тепло земли (именно тепловой насос земля-вода на сегодняшний день является наиболее эффективным оборудованием данного типа), сам тепловой насос, тепловые аккумуляторы и много дополнительного оборудования, для которого придется выделить отдельное помещение немалых размеров
Добывать тепловую энергию подобные устройства могут из земли, воды и даже из воздуха. Всем хороша эта система, но было бы намного лучше, если бы она обходилась без электричества и не требовала колоссальных затрат на ее изготовление – к сожалению, это бич всех энергонезависимых систем современности. Кроме всего прочего, такие отопительные системы потребуют создания целого комплекса оборудования. Это и разветвленная система подземных трубопроводов, которая впитывает тепло земли (именно тепловой насос земля-вода на сегодняшний день является наиболее эффективным оборудованием данного типа), сам тепловой насос, тепловые аккумуляторы и много дополнительного оборудования, для которого придется выделить отдельное помещение немалых размеров.
Более привлекательно в этом отношении выглядит система отопления дачного дома без газа, в основу которой положен солнечный коллектор. Преимуществ у такой системы достаточно много, но самое главное из них – это возможность создать энергетически независимое отопление дома. Спросите, как? Достаточно просто, и в принцип такой системы, опять же, заложена естественная циркуляция теплоносителя. Такая система отопления разделяется на два контура с помощью теплообменника, в котором первичный контур отдает тепло вторичному контуру, который уже непосредственно обогревает дом. В первом контуре, в котором задействован солнечный коллектор, изготовленный из вакуумных трубок, естественная циркуляция достигается за счет вертикального положения устройства. Остывшая в теплообменнике жидкость вытесняет нагретую в коллекторе, отправляя ее таким способом все в тот же теплообменник – циркулирующий подобным образом теплоноситель нагревает жидкость в другом контуре, в котором происходит точно такая же круговая циркуляция. Спросите, почему нельзя сразу нагревать жидкость в системе отопления? Ответ прост – ее много, и эффективность системы отопления будет очень низкая. Именно поэтому используется принцип теплообмена между малым и большим контурами – в малом контуре жидкость не успевает полностью остыть, и ее приходится только подогревать. Такие системы эффективно работают и в зимнее время.
И снова следует отметить дороговизну установки систем, использующих альтернативный источник энергии. В частности, немалые деньги придется отдать за сами солнечные коллекторы или тепловой насос. Да и сама система отопления также обойдется недешево. Так что, как ни крути, а наиболее простым и дешевым источником энергии по-прежнему остается углерод в твердом виде. Хотя, как знать – может вам удастся собрать эффективный коллектор своими руками, почти не потратив на него денег.
И в заключение темы про отопление загородного дома без газа скажу несколько слов о рациональном использовании энергии. Наверное, не многим открою глаза на то, что одним и тем же топливом одновременно можно не только отапливать дом, но и снабжать его горячей водой. Для этих целей твердотопливные котлы оборудуются дополнительным контуром и тепловым аккумулятором, а солнечные системы и тепловой насос дополнительным теплообменником и резервуаром для хранения нагретой воды.
Автор статьи Александр Куликов
Преимущества применения тепловых насосов
Экономия. Если сравнить расходы на отопление с помощью теплового насоса с расходами на газовое оборудование, то получится внушительная сумма с разницей в пользу насосов. А все потому, что альтернативные источники в системе отопления — это тепловая энергия воды и земли.
Безопасная работа. Относительно взрыво- и пожароопасности отопительного оборудования, работающего на газу, электрический тепловой насос для отопления дома является вполне безобидным прибором! Сюда же можно отнести и простоту эксплуатации оборудования.
Универсальность применения. Тепловой насос может работать как на обогрев помещений, так и на их охлаждение (нечто сродни работе сплит-систем в режимах «тепло-холод»).
Полная автоматизация работы. В отличие от твердотопливных котлов, тепловые насосы не требуют постоянной загрузки топлива, к тому же они не нуждаются в постоянном контроле, осмотре, чистке.
А еще тепловому насосу не требуется подключение к магистральному газопроводу – это автономное отопление загородного дома, которое обеспечивается простым подключением к сети электропитания.
Энергия Земли способна бесплатно обогревать дом
Одной из альтернативных систем отопления является геотермальная. В ее основе лежит использование энергии Земли. Это тепло земли, подземных вод, окружающего воздуха, преобразуемое тепловыми насосами (ТН)
Важно, чтобы температура среды, используемая установкой, была выше нуля
Устройство и принцип работы теплового насоса
Для работы геотермальной системы нужна электроэнергия, используемая на перенос полученного тепла. Тепловой насос, употребляя 1 кВт, выдает от 2-х до 6-ти кВт тепла.
Основной принцип работы ТН состоит в сборе тепла, преобразовании его и дальнейшей передаче в отопительный контур. Это реализуется благодаря устройству самого прибора.
Дешевле всего установить тепловой насос «воздух-воздух». Если соорудить его своими руками, то потребуется минимальные финансовые вложения
ТН состоит из 3-х замкнутых контуров, задействованных в процессе получения тепла для отопления частного дома:
внешнего – предназначенного для забора тепла у источников. По контуру циркулирует антифриз или соляной раствор; внутреннего – заполненного хладагентом, чаще фреоном; отопительного контура, заполненного теплоносителем.
Фреон, заполняющий внутренний контур, нагревается от тепла, пришедшего из внешнего контура. Имея низкую температуру кипения, он превращается в газ в первом теплообменнике – испарителе. Затем поступает в компрессор, где сжимается, в результате чего выделяется много тепла, а температура самого газа многократно повышается – вплоть до 65 градусов.
Далее, газообразный фреон попадает в следующий теплообменник, именуемый конденсатором, где оставляет свое тепло. Фреон, расставшись с большей частью тепла, попадает под давлением на сбросный клапан. Здесь резко падает давление, хладагент охлаждается и, приняв жидкое состояние, снова поступает в испаритель.
Тепло, оставленное фреоном в конденсаторе, нагревает жидкость, циркулирующую в системе отопления домовладения. Если в этой системе предусмотрено устройство теплых полов, то возможно достичь наиболее эффективного обогрева при минимальных затратах.
Целесообразность использования ТН
Тепловые насосы – ТН, забирающие тепло из окружающей среды, бывают разные. Все зависит от типа окружающей среды, используемой в качестве источника забора тепла и типа используемого теплоносителя. Соответственно, выделяют такие виды ТН:
Первые два вида насосов применяют в системах воздушного отопления, а вторые два вида – в системах с жидким теплоносителем.
Вертикальный вариант теплового насоса наиболее эффективный по получению энергии земли, но он наиболее дорогостоящий
Самым выгодным с экономической точки зрения будет использование ТН типа «вода-вода». Этот вариант целесообразно использовать, если рядом с домом располагается незамерзающий водоем, в который укладываются трубы для забора тепла. Тепловой насос позволяет получать 30 Вт тепла с 1 м трубопровода. В зависимости от площади частного домовладения и потребностях в энергии потребуется уложить соответствующее количество труб.
Насосы, использующие воздух, не заменят традиционное отопление в регионах с суровым климатом. Что касается тепла, черпаемого из грунта, то это весьма дорогостоящий проект. Используют горизонтальное устройство геотермального поля, вертикальное и кластерное бурение. При горизонтальном варианте предстоит соорудить геотермальное поле на глубину, большую уровня промерзания. Это около 1,5-2 м. Площадь такого поля получается внушительной – от 200 м 2 .
ТН способны заменить привычное топливо в системе отопления, обеспечив полную энергетическую независимость загородному дому
Для реализации вертикального и кластерного проекта потребуется бурение на значительную глубину с применением бурильных установок. Это весьма дорогостоящая услуга. Оборудование такого вида тепловых насосов целесообразно для владельцев коттеджей, не задумывающихся о стоимости работ. Отопление, использующее тепло из недр земли, способно полностью заменить твердотопливное или газовое.
Геотермальное отопление выгоднее всего использовать в тандеме с устройством водяной «теплый пол». Оно позволяет получить самый оптимальный результат. Из существенных недостатков – большая протяженность трубопровода для сбора тепла, дорогостоящие земляные работы по установке системы, потребность в большой площади для обустройства геотермального поля.
Солнечная энергия или гелиосистемы для отопления дома
На сегодня она, чаще всего, используется для обогрева помещения по одному из двух вариантов:
- Солнечная энергия трансформируется напрямую в электроэнергию. Затем аккумулированное электричество используется для работы ТЭНов.
- Солнечная энергия идёт на прямой обогрев теплоносителя. Последний ЕЦ, либо ПЦ проходит по отопительным приборам, прогревая через них помещения дома.
Минусами аналогичных систем являются пасмурные дни, и, неизбежно сменяющая день, ночь. Поэтому используют солнечные коллекторы параллельно с разнообразными электрообогревателями.
Альтернативное отопление своими руками в данной версии предусматривает, что реальная температура теплоносителя контролируется встроенными датчиками и, если её значение опускается в ночное время или в пасмурную погоду ниже фиксированного минимально разрешённого, то автоматически включается электрообогреватель.
Как правило, любая солнечная батарея комплектуется не только инвертором и контроллером, благодаря которым формируется U=12/24 В (по I const) но и ёмкой аккумуляторной батареей, в которой аккумулируются излишки электроэнергии, выработанной в светлое время суток.
Альтернативные источники отопления дома, выполненные по указанным схемам, при необходимой площади фотоэлементов и соответствующих ёмкостях АБ, возможен вариант реализации полностью автономной системе отопления.
Материалы
Трубы
- Какими трубами можно развести водяное конвекционное отопление?
Температура теплоносителя в автономных системах обычно держится в пределах 75С, а давление не превышает 2,5 кс/см2, поэтому требования к прочности труб и их термостойкости минимальны.
Наиболее популярны:
Полипропиленовые трубы. Как правило, для нужд отопления приобретается армированный алюминиевой фольгой полипропилен. Армирование уменьшает удлинение труб при нагреве с внушительных 6,5 мм/м.пог. (при нагреве на 50 градусов) до скромных 1,5 мм/м.пог.;
Монтаж соединения металлопластиковых труб на пресс-фитингах.
- Какие трубы укладывать в теплый пол?
Для этой цели чаще всего используют сшитый полиэтилен PEX или термомодифицированный PERT.
Труба PERT для теплого пола.
Трубы обоих типов стойки к нагреву, обладают приемлемой механической прочностью и достаточной для укладки гибкостью. Шаг между витками трубы варьируется от 15 до 20 см, длина одного замкнутого контура не должна превышать 120 метров.
- Каким должен быть наружный диаметр полимерных или металлополимерных труб отопления?
Для дома умеренной площади (до 200 м2) я бы посоветовал придерживаться следующих значений:
- Подводка к радиатору — 20 мм;
- Разлив с принудительной циркуляцией теплоносителя — 25 мм,
Подводка к радиатору и розлив.
Теплый пол — 16 мм.
В гравитационной системе отопления (работающей за счет естественной циркуляции при нагреве теплоносителя) диаметр розлива нужно увеличить до 40 — 50 мм. Инструкция связана с низким гидравлическим напором в контуре; для того, чтобы обеспечить приемлемую скорость циркуляции воды, гидравлическое сопротивление труб должно быть минимальным. А оно, как известно, обратно пропорционально внутреннему диаметру трубы.
Радиаторы
- Какие радиаторы лучше купить для автономного контура?
Алюминиевые секционные. Очень демократичная стоимость секции (от 280 рублей) сочетается с отличной теплоотдачей (до 205 ватт на секцию). Прочность радиаторов и их термостойкость с избытком достаточны для автономной системы отопления.
Алюминиевые радиаторы: максимум эффективности при разумной цене.
- Как рассчитать нужное количество секций?
Их суммарное количество рассчитывается простым делением номинальной мощности источника тепла (котла или теплового насоса) на паспортную мощность одной секции. Мощность отопительного прибора для отдельного помещения можно грубо оценить из расчета 40 ватт тепла на кубометр отапливаемого объема. Скажем, для комнаты размером 4х5х3 метра нужно 4*5*3*40=2400 ватт тепла, или 2400/200=12 секций с номинальной тепловой мощностью 200 ватт.
Здесь есть одна тонкость. Производители всегда указывают мощность секций и отопительных приборов для дельты температур между теплоносителем и воздухом в 70 градусов; то есть при +20 в комнате для получения номинального теплового потока батарея должна быть нагрета до 90С.
На практике температура теплоносителя в автономном контуре заметно ниже. Скажем, при +25 в комнате и +60 на поверхности радиатора дельта температур будет равна всего 35 градусам, а тепловая мощность секции уменьшится ровно вдвое — до 100 ватт.
Для автономного отопления нехарактерны высокие температуры теплоносителя.
Дополнительное оборудование
- Что, кроме котла, труб и радиаторов, необходимо для монтажа водяной системы отопления?
В закрытой системе с принудительной циркуляцией обвязка котла должна включать:
- Циркуляционный насос (желательно — с регулировкой производительности);
- Автоматический воздухоотводчик для удаления воздушных пробок при запуске контура;
- Расширительный бак, компенсирующий увеличение объема теплоносителя при нагреве. Как правило, объем бачка берется равным 1/10 объема теплоносителя в системе;
- Предохранительный клапан для сброса давления при перегреве или закипании теплоносителя;
- Манометр для контроля давления.
Группа безопасности котла — манометр, воздушник и предохранительный клапан.
В открытой гравитационной системе единственное дополнительное приспособление — открытый расширительный бак. Он выносится в верхнюю точку контура и используется не только по прямому назначению, но и отвода воздуха, и для заливки в контур воды.
Отдельные радиаторы снабжаются отсекающими шаровыми кранами, дросселями или термоголовками. Запорно-регулирующая арматура позволяет при необходимости отключить прибор, не останавливая весь контур, или уменьшить его теплоотдачу.
Если радиатор расположен выше розлива, в его верхней пробке должен быть установлен кран Маевского или автоматический воздухоотводчик.
Кран Маевского для ручного стравливания воздуха.
Особенности водяной отопительной системы
Такая система стала прямым продолжением печного отопления. Она позволяет одновременно обогревать несколько комнат, в то время как традиционная печь с данной задачей справиться не может. Для этого в каждой комнате монтируются отопительные приборы, схема расположения которых прорабатывается для каждого частного дома индивидуально.
Жидкий теплоноситель, нагретый в котле до нужной температуры, поступает в трубопровод. Продвигаясь по трубам, он начинает отдавать свое тепло отопительным приборам, в качестве которых могут выступать радиаторы или контур «Теплого пола». Отопительные приборы, в свою очередь, передают тепло в окружающее пространство. Остывший теплоноситель возвращается обратно в котел, нагревается до заданной температуры, и цикл повторяется. Благодаря непрерывному движению теплоносителя по трудам удается поддерживать температуру в частном доме на комфортном уровне.
Нагрев воды осуществляется в котле
Системы отопления, применяемые в современных условиях
Отказ от использования электрических отопительных систем очевиден, ведь это самый дорогой вид энергии. Эффективность электрических нагревательных приборов остается низкой при высоком расходе мощности, а в частных домах теплопотери всегда выше, чем в многоквартирных. Кроме этих условий приходится учитывать необходимость устройства специального помещения котельной, его и другие проблемы.
Печное отопление
По понятным историческим причинам самым популярным методом отопления помещений является печное. Классический вариант предполагает, что каменная печь, установленная в специально отведенном месте, нагревает помещение или группу помещений. Источник тепла в данном случае — сгорающее твердое топливо, которое нагревает каменную конструкцию. Имея высокую инерционность, то есть надолго сохраняя в себе тепло, такая печь постепенно на протяжении нескольких часов согревает помещение.
Эффективность таких печей зависит от нескольких факторов:
Строительство печей — сложный технологический процесс, простому обывателю не под силу, поэтому обязательно нужно привлечь опытного мастера, хотя бы в качестве консультанта.
Водяное отопление с возведением печи
Печь может быть самостоятельным источником тепла, но может служить нагревателем в системе водяного отопления. В больших домах или двухэтажных коттеджах такой вариант невозможен без использования водяного насоса, который работает от электричества и гоняет воду по системе. Если протяженность труб небольшая, а радиаторы имеют сечение труб от 32 мм и выше, то возможно устроить без газа и электричества с естественной циркуляцией.
Принцип работы такой системы отопления известен многим сельским жителям. Внутри печи в зоне, близкой к горящему топливу, монтируется сваренный из толстостенных металлических труб коллектор, в котором происходит нагревание воды. По закону физики горячая вода поднимается наверх, по специально оборудованной трубе. Далее она попадает в трубопровод отопления, который расположен с небольшим уклоном, который сохраняется на всем его протяжении. По тем же физическим законам жидкость течет вниз, проходит по всей системе, отдает тепло, в конце концов, попадая обратно в коллектор внутри печи, где круг возобновляется.
Монтаж такой системы требует точного расчета угла наклона труб, наличия расширительного бачка. Температуру такого отопления можно регулировать при помощи вентилей, которые уменьшают количество горячей воды, подаваемой в систему. В некоторых случаях возможно устройство двух и более контуров отопления.
Каминное отопление
Камины являются скорее стильным дополнением интерьера, чем эффективным источником тепла. Для того чтобы камин мог обогреть хотя бы комнату, в его конструкцию нужно внести серьезные изменения, превратить его в классическую печь, лишь внешне напоминающую камин. В таком псевдокамине сохраняют полку, а пламя закрывают дверцей из огнеупорного стекла.
Альтернативные источники
Отопление частного деревянного дома без газа и электричества при помощи экзотических источников вроде солнечных батарей, геотермального тепла очень интересует продвинутых хозяев. В том и другом случае требуются определенные климатические условия. Геотермальные источники есть в очень небольшом количестве мест на планете, обычно они присутствуют в сейсмически активных зонах. Для жителей 99% территории России такой вид отопления недоступен.
Солнечные батареи монтируют на крыше, так как для эффективной работы нужна большая площадь. Известно, что зимой выпадает снег, который придется чистить по несколько раз в день. Кроме того, во многих регионах зимой световой день настолько короток, что накопить нужный заряд просто невозможно.
Тепловые насосы грунт-вода
Данные устройства являются самыми универсальными альтернативными источниками отопления загородного домовладения в плане зависимости от климатической зоны.
Принцип их функционирования основан на том, что даже на глубине нескольких десятков метров в районах вечной мерзлоты, температура грунта превышает ноль градусов.
Теплообменники, предназначенные для отбора тепла у грунта, представляют собой зонды, которые погружают в специальные скважины. Требуется прокладка магистралей, длина которых превышает не один десяток метров, а помимо высокой цены насоса и сама стоимость его монтажа немаленькая. Так бурение одной скважины обходится примерно в несколько тысяч рублей на один погонный метр, а ведь она нужна не одна. Кроме этого, еще требуется установить насос и погрузить в скважину зонды.
Немного дешевле будет стоить монтаж насоса грунт-вода, имеющего горизонтально расположенный коллектор. Теплообменники погружают в траншеи ниже, чем находится уровень промерзания. Недостаток такого отопления заключается в большой площади, необходимой для установки теплового насоса. Полученное тепло расходуется на подогрев воды для бытовых нужд и передачи тепловой энергии отопительным приборам.
