Як правильно вибрати тепловий насос
Враховуємо площу будинку та інші фактори
1. Тепловий насос виправдовує себе в добре утепленому будинку — такому, де рівень тепловтрат не перевищує 65 Вт/м². Що тепліший будинок, то більшу економію дасть насос. Опалювати вулицю невигідно з будь-яким обладнанням, а з тепловим насосом це ще й знецінює вкладені в нього гроші.
2. Що більша різниця температур теплоносія у вихідному та вхідному контурах, то нижчий коефіцієнт трансформації тепла (COP) — а отже, менша економія електроенергії. Саме тому тепловий насос вигідніше під’єднувати до низькотемпературних систем опалення: теплої водяної підлоги або обігріву теплим повітрям. У цих системах теплоносій за санітарними нормами й міркуваннями комфорту не має бути гарячішим за 36–42 градуси. А що гарячішу воду потрібно готувати у вихідному контурі — для душу чи радіаторів, — то нижчий коефіцієнт трансформації й більша витрата електроенергії. Які джерела тепла може мати тепловий насос?
3. Щоб досягти максимальної ефективності, тепловий насос часто ставлять у парі з додатковим джерелом тепла — це називають бівалентною схемою опалення. У будинках із підвищеними тепловтратами монтувати насос великої потужності (понад 35 кВт) економічно невигідно: обладнання громіздке, а працюватиме на повну лише близько місяця на рік. Справді холодних днів в Україні не більше ніж 12–16% тривалості опалювального сезону. Тому потужність теплового насоса підбирають на рівні 75–85% від розрахункової теплової потреби. Цього вистачає, щоб покривати всі потреби будинку в теплі, доки температура надворі не опуститься нижче за задане розрахункове значення — так звану бівалентну температуру, наприклад мінус 6–12 градусів. З цього моменту вмикається друге джерело тепла: найчастіше це невеликий електронагрівач або рідкопаливний котел.
Різновиди теплових насосів: як вибрати відповідну модель
Наступне важливе питання — який теплообмінник обрати: вертикальний чи горизонтальний. Ґрунт як джерело тепла можна використати двома способами: через вертикальний або горизонтальний колектор. Теплові насоси категорії «земля-вода» вирізняються високою надійністю й тривалим строком служби, тому вони й найпопулярніші. Якщо плануєте горизонтальний колектор, урахуйте кілька факторів: чи є поруч комунікації та будівлі, чи достатньо відкритої площі, яка отримує пряме сонячне світло. Важливо й те, що температура поверхневого шару ґрунту залежить від сезону та часу доби — тому такі системи менш ефективні, попри нижчу вартість.
Особливості укладання теплообмінника
Вертикальний теплообмінник можна вкласти незалежно від місцевості та погодних умов. Різниця — у вартості робіт: вона суттєво вища, бо потрібне буріння свердловин глибиною до 160 метрів. Натомість ефективність і строк служби високі, адже температура ґрунту на такій глибині стабільна цілий рік.
Розрахунок потужності теплового насоса
Щоб підібрати потужність теплового насоса, потрібен розрахунок за початковими умовами конкретного будинку. Візьмімо будинок площею 250 м²: залежно від якості теплоізоляції його теплова потреба становитиме приблизно 13 кВт. Далі, з урахуванням температури теплоносія в системі, підбирають сам насос. Типове робоче рішення для такого будинку — насос теплопродуктивністю близько 17 кВт зі споживаною електричною потужністю близько 3,7 кВт. І лише після цього, виходячи з теплознімання ґрунту, за спеціальними формулами розраховують потужність колектора, діаметр і глибину зонда.
Тільки такий послідовний розрахунок дає максимальну економію в експлуатації. Щодо окупності: тепловий насос — це інвестиція на роки, а не на місяці. Строк повернення вкладень залежить від того, що ви ним заміщуєте, від тарифу на електроенергію та якості утеплення будинку, і рахується він на конкретних цифрах вашого об’єкта.
Використання тепла землі для роботи теплового насоса
Найчастіше складнощі виникають саме з визначенням характеристик теплового насоса та його зовнішнього контуру. Проєктування вимагає врахувати багато факторів, які впливають і на ефективність, і на надійність теплопостачання.
Вибір теплового режиму зовнішнього контуру
Обираючи тепловий насос, критично важливо грамотно визначити теплоспоживання будинку. Врахуйте: максимальні опалювальні навантаження в помірному кліматі короткочасні, тому покривати їх у моновалентному режимі економічно недоцільно. Саме тому системи без додаткового теплогенератора — ТЕНа чи котла — застосовують рідко. Крім того, моновалентний режим установок «повітря-вода» та «повітря-повітря» за температури нижче ніж −10 градусів неефективний, а нижче ніж −15 — неможливий.
Системи на базі теплових насосів проєктують як основне джерело теплопостачання. Вони передбачають первинний контур, який відбирає тепло у води або ґрунту. Через сезонні коливання температур і навантаження геотермальна система протягом експлуатації неодноразово проходить цикли замерзання й відтавання: вода в ґрунті одночасно перебуває в рідкій, газоподібній і твердій фазах. Наявність вологи суттєво впливає на перенесення тепла, але точно її врахувати складно — тому фахівці користуються емпіричними коефіцієнтами, що приблизно описують пористість і вологість ґрунту. На практиці на температурний режим верхнього шару ґрунту, а він визначальний для горизонтального контуру, впливають ґрунтові води й волога атмосферних опадів. Якщо максимальне питоме теплознімання контуру визначити помилково або грубо порушити технологію прокладання, наслідком буде не просто недостатнє теплопостачання за нормальної чи надлишкової потужності насоса, а й глибоке проморожування ґрунту або водяного об’єму.
Геотермальний горизонтальний колектор: загальний опис
Щоб отримати тепло землі, використовують геотермальні колектори. Вони бувають кількох типів: горизонтальні з паралельним або послідовним з’єднанням труб, укладених в один чи кілька шарів; спіралі; петлі. Первинний контур — це металопластикові або полімерні труби з антифризом усередині, укладені в спеціальні котловани чи траншеї. Саме ця частина контуру забезпечує потрібний обсяг відбору теплової енергії. Суттєво зменшити площу теплознімання та обсяг земляних робіт дозволяє спіралеподібне укладання на глибину до чотирьох метрів. Але очікувану тепловіддачу ґрунту слід приймати не більшою за 65 кВт·год/м² на рік: спроби зняти більше призводять до перевитрати електроенергії та промерзання землі.
Питоме теплознімання коливається в широких межах і залежить від наявності та характеру підземних вод, щільності й складу ґрунту, глибини монтажу — причому більшість цих факторів мають сезонний характер. Відстань між трубами по горизонталі має становити не менше ніж 0,7–0,8 метра; так само визначають і мінімальний потрібний діаметр спіралі.
Як теплоносій зовнішнього контуру часто застосовують 25-відсотковий водний розчин етиленгліколю — його зазвичай і називають розсолом. Його теплоємність становить 3,7 кДж/(кг·К) за 0 градусів, густина — 1,03 г/см³. Втрати тиску в трубі приблизно в півтора раза більші, ніж у випадку з водою. Потрібний об’єм антифризу:
V = Qп · 3600 / [1,03 · 3,7 · (Tі − Tг)], м³ — де Tг і Tі це температури у зворотній та подавальній лініях відповідно, а Qп — теплова потужність, очікувана від ґрунту. Її значення дорівнює різниці від повної потужності теплового насоса.
Щоб спроєктувати зовнішній контур, потрібно знати площу ділянки S під укладання труб колектора та їхню загальну довжину L. Ці величини визначають послідовно через питоме теплознімання q і крок укладання труб d:
L = Qп / q, м
S = L · d, м²
Потужність теплового насоса визначають за середнім теплоспоживанням конкретного об’єкта, і фахівці радять брати це значення із запасом 15–20%. На вибір суттєво впливає наявність гарячого водопостачання та режим роботи — бівалентний чи моновалентний. Потужність підвищують на величину додаткового теплоспоживання, враховуючи або свідомо не враховуючи пікові навантаження: у помірному кліматі їхня загальна тривалість не перевищує 900 годин на рік.
Суть роботи геотермального теплового насоса проста: він виробляє і тепло, і холод — як звичайна холодильна установка. Різниця в тому, що тут споживач використовує саме тепло, а холод відводиться у воду, ґрунт або атмосферу. Це обладнання дозволяє з одного витраченого кВт·год електроенергії отримати до 5–6 кВт·год тепла.