Розробка теплонасосної системи опалення приватного будинку із використанням тепла відкритих водойм

Приймак, Дмитро Дмитрович
Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7768
Title:	Розробка теплонасосної системи опалення приватного будинку із використанням тепла відкритих водойм
Authors:	Беспалько, Сергій Анатолійович Приймак, Дмитро Дмитрович
Keywords:	теплонасосна система;відкриті водойми
Issue Date:	30-Jan-2025
Abstract:	Мета роботи: розробка теплової насосної системи, що дозволяє забезпечити економічне теплопостачання заміського будинку з використанням низькопотенційного тепла відкритого водного потоку русла річки. Завдання дослідження: розробити методику розрахунку низькотемпературного контуру теплонасосної установки для ефективного відбору низькопотенційного тепла від течії у відкритому руслі; розробити технічні рішення, спрямовані на оптимізацію контуру відбору низькопотенційного тепла від відкритої водної течії; спроектувати та виготовити теплонасосну систему теплопостачання заміського будинку з використанням низькопотенційного тепла відкритої водної течії;
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7768
Appears in Collections:	144 Теплоенергетика (Теплоенергетика)
Files in This Item:
File	Description	Size	Format
Приймак Дмитро.pdf Restricted Access		3.19 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy
Show full item record
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 
Черкаський державний технологічний університет 
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування 
Кафедра Енерготехнологій 
 
 
„ЗАТВЕРДЖУЮ” 
Завідувач кафедри Енерготехнологій 
_______________ Геннадій 
КАЛЕЙНІКОВ 
“___”___________2024  р. 
 
МАГІСТЕРСЬКА КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА 
на тему: 
 
«РОЗРОБКА ТЕПЛОНАСОСНОЇ СИСТЕМИ 
ОПАЛЕННЯ ПРИВАТНОГО БУДИНКУ ІЗ 
ВИКОРИСТАННЯМ ТЕПЛА ВІДКРИТИХ ВОДОЙМ» 
 
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА 
код роботи МКР 24.144.98 ПЗ 
Спеціальність  144 - Теплоенергетика 
 
 
Виконавець роботи: 
________________________Приймак Дмитро Дмитрович ______________________________ 
(підпис, дата) 
Науковий керівник: 
_________________Беспалько С.А., к.т.н., доц._________________________ 
(підпис, дата) 
Рецензент: 
__________________________________________________________________ 
(підпис, дата) 
 
Черкаси, 2024 р.  
ВСТУП ........................................................................................................................ 3 
Розділ 1 Сучасний стан проблеми ........................................................................... 7 
1.1 Теплопостачання в Україні та роль відновлюваних джерел енергії ....... 7 
1.2 Принцип дії та розвиток теплових насосних систем ................................ 9 
1.3 Джерела низькопотенційного тепла та способи його використання .... 11 
1.4 Способи відбору низькопотенційного тепла від водного середовища . 15 
1.5 Висновки по розділу ................................................................................... 20 
Розділ 2 Розрахунки експериментальної теплонасосної установки .................. 23 
2.1 Аналіз застосовуваних конструкцій і вибір схемних рішень ................ 23 
2.2 Проведення попередніх розрахунків ........................................................ 27 
2.3 Вибір матеріалу труб та теплоносія .......................................................... 39 
2.4 Оптимізація теплообмінника для теплонасосної установки .................. 48 
2.5 Вироблені конструктивні рішення ............................................................ 57 
Розділ 3 Виготовлення експериментальної насосної  установки ....................... 61 
3.1 Опис теплонасосної установки ................................................................. 61 
3.2 Виготовлення теплообмінника та організація низькотемпературного 
контуру для теплового ......................................................................................... 62 
3.3 Виготовлення компресорного блоку теплового насоса .......................... 65 
3.4 Підсумки по розділу ................................................................................... 67 
Розділ 4 Охорона праці ........................................................................................... 70 
4.1 Значення охорони праці в теплотехнічних установках .......................... 70 
4.2 Основні вимоги електробезпеки ............................................................... 71 
4.3 Пожежна безпека ........................................................................................ 72 
4.4 Безпека при роботі біля води ..................................................................... 73 
4.5 Вимоги до безпеки при роботі з рідинами ............................................... 73 
4.6 Забезпечення безпеки під час монтажу, обслуговування та експлуатації
 74 
Висновки .................................................................................................................. 77 
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ............................................................... 79 
 
  
МКР 24.144.98 ПЗ 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 Розроб. Приймак Д.Д. Літ. Арк. Акрушів 
 Перевір. Беспалько С.А.. Зміст   
 Реценз.  
 Н. Контр. магістерської роботи 
 2 ЧДТУ, мТЕ-35 
 Затверд.  Калейніков Г.Є. 
Вступ 
 
На сьогодні питання енергозабезпечення є одним з найактуальніших для 
України, тому використання альтернативних, в тому числі й відновлювальних 
джерел енергії зумовлює необхідність їх пошуку та наукового опрацювання для 
їх ефективного освоєння. Кожен будинок у нашій країні потребує опалення у 
холодні місяці року. Для опалення використовується понад 40% всього 
вироблюваного тепла. Використання альтернативної енергії замість енергії, 
отриманої з викопного палива, на сьогоднішній день є майже єдиним шляхом 
надійного забезпечення людства енергією в довгостроковій перспективі, який 
не призводить до подальшого погіршення екологічної ситуації та клімату.  
Більшість відновлюваних джерел енергії (ВДЕ) несуть у собі енергію 
Сонця. Тим часом ресурси викопного палива швидко вичерпуються, і вже в 
цьому столітті їх дефіцит може суттєво вплинути на життя людей [5], що 
вимагає якнайшвидшого переходу на використання ВДЕ. Перехід на 
відновлювані джерела енергії сприяє зменшенню залежності від викопного 
палива, імпорт якого часто пов’язаний із нестабільністю цін та геополітичними 
ризиками. Це робить країни більш стійкими до економічних криз, пов'язаних з 
коливаннями на ринку палива. Говорячи про ВДЕ, важливо приділяти належну 
увагу можливості використання енергії Сонця, накопиченої в навколишньому 
середовищі у вигляді низькопотенційного тепла. 
В усьому світі значний інтерес викликають системи, які дозволяють 
скоротити витрати на теплопостачання житлових і промислових об'єктів. 
Зазвичай це одна з найбільших статей витрат. Пошук ефективних шляхів 
вирішення проблеми теплопостачання є вкрай важливим завданням. Один із 
способів її вирішення – використання низькопотенційної енергії 
навколишнього середовища з використанням теплових насосів (ТН). Такі 
пристрої, використовуючи низькопотенційне тепло (НПТ), генерують у 3–5 
разів більше високопотенційної теплової енергії, ніж витрачають механічної 
3 
 
або електричної енергії. Ефективність теплового насоса підвищується зі 
зростанням температури джерела НПТ. [8] 
У більшості країн, у теплонасосних установках (ТНУ) зазвичай 
використовують навколишнє повітря, ґрунт або підземні води як джерела НПТ. 
Водне середовище поверхневих водойм і водотоків також може бути 
ефективним джерелом. Однак робіт, присвячених питанню використання НПТ 
водотоків, дуже мало. Відсутність науково-методичної бази для створення 
таких теплонасосних систем, особливо контуру забору НПТ, значно стримує 
їхнє поширення. 
Мета роботи:  розробка теплової насосної системи, що дозволяє 
забезпечити економічне теплопостачання заміського будинку з використанням 
низькопотенційного тепла відкритого водного потоку русла річки. 
Завдання дослідження: 
розробити методику розрахунку низькотемпературного контуру 
теплонасосної установки для ефективного відбору низькопотенційного тепла 
від течії у відкритому руслі; 
розробити технічні рішення, спрямовані на оптимізацію контуру відбору 
низькопотенційного тепла від відкритої водної течії; 
спроектувати та виготовити теплонасосну систему теплопостачання 
заміського будинку з використанням низькопотенційного тепла відкритої 
водної течії; 
Наукова новизна роботи полягає в наступному. 
Розроблено методику розрахунку низькотемпературного контуру 
теплонасосної установки з занурювальним теплообмінником, що враховує 
можливість обледеніння поверхні теплообміну. 
Запропоновано та обґрунтовано технічні рішення для ефективного 
відбору низькопотенційного тепла від водної течії. 
Протестовано процес відбору низькопотенційного тепла за допомогою 
розробленого теплообмінника, а також отримано дані про вплив умов 
експлуатації теплообмінника на ефективність відбору тепла. 
4 
 
Структура та обсяг роботи. Робота складається із вступу, чотирьох 
розділів, висновоку та бібліографічного списоку джерел. Загальний обсяг 
роботи викладено на 80 сторінках, включно з 18 рисунками та 15 таблицями. 
  
5 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Розділ 1 Сучасний стан проблеми 
  
МКР 24.144.98 ПЗ 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 Розроб. Приймак Д.Д.  Літ. Арк. Акрушів 
 Перевір. Беспалько С.А.. 
Сучасний стан проблеми   
 Реценз.  
 Н. Контр.  ЧДТУ, мТЕ-35 
 Затверд. Калейніков Г.Є. 6 
 
Розділ 1 Сучасний стан проблеми 
 
1.1 Теплопостачання в Україні та роль відновлюваних джерел 
енергії 
 
Теплопостачання є важливим елементом енергетичної інфраструктури 
України, особливо у зимовий період, коли основна частина населення потребує 
стабільного забезпечення теплом. Українська система теплопостачання 
складається з централізованого та децентралізованого секторів. Централізоване 
теплопостачання включає в себе теплові мережі, які забезпечують теплом 
багатоповерхові житлові будинки, громадські будівлі та промислові об'єкти в 
містах і містечках. Такий підхід дозволяє використовувати великі джерела 
теплової енергії, такі як теплоелектроцентралі (ТЕЦ) та котельні, що працюють 
на викопному паливі. На централізоване теплопостачання припадає приблизно 
70% усього теплового забезпечення країни. Зрозуміло, що це вимагає значних 
витрат викопного палива, яке залишається основним енергетичним ресурсом 
для забезпечення тепла. Однак видобуток викопного палива пов’язаний з 
низкою екологічних, економічних і політичних викликів, які стають все більш 
помітними. 
Водночас, децентралізоване теплопостачання зазвичай забезпечує тепло 
окремим будинкам, розташованим у сільській місцевості та невеликих 
населених пунктах, де організація централізованої системи є економічно 
недоцільною. У таких випадках використовуються індивідуальні 
теплогенератори – котли, що працюють на газі, електроенергії або твердому 
паливі. Відсутність доступу до централізованих джерел тепла та високі витрати 
на підключення до газових мереж створюють потребу в пошуку альтернативних 
джерел теплової енергії, які б могли забезпечити ефективне опалення на місцях. 
Загалом, приблизно 40% енергоспоживання в Україні припадає на 
опалення, значна частина якого забезпечується шляхом спалювання викопного 
палива. Оскільки це паливо вичерпується, а його використання призводить до 
7 
 
значних викидів вуглекислого газу, актуальним стає перехід на ВДЕ, які мають 
менший негативний вплив на довкілля.  
Досить поширений прямий електрообігрів є доволі нераціональним і 
затратним способом теплопостачання. Набагато доцільніше використовувати 
електроенергію для опалення за допомогою теплового насоса, оскільки для 
цього потрібно у 3–5 разів менше електроенергії, ніж при прямому 
електрообігріві. У такій системі електрична енергія не перетворюється 
безпосередньо на теплову, а використовується для трансформації 
низькопотенційного тепла у високопотенційне, придатне для опалення. 
У цьому контексті використання ВДЕ стає не просто важливим, а й 
стратегічно необхідним рішенням для зменшення викидів парникових газів і, 
відповідно, зниження впливу на зміну клімату. Водночас використання ВДЕ 
може сприяти диверсифікації енергетичних ресурсів країни, що підвищує її 
стійкість до зовнішніх впливів, зокрема коливань цін на міжнародному ринку 
викопного палива. ВДЕ дозволяють значно скоротити залежність від 
імпортованого палива, що є особливо важливим у світлі поточних економічних 
і політичних викликів. 
Серед основних видів ВДЕ, які можуть бути ефективно застосовані для 
теплопостачання, значне місце займають сонячна енергія, енергія біомаси, 
геотермальна енергія та енергія навколишнього середовища, накопичена у 
вигляді низькопотенційного тепла. Використання таких джерел дозволяє 
значно скоротити споживання викопного палива і тим самим зменшити загальні 
викиди шкідливих речовин в атмосферу. 
При роботі теплового насоса на електроенергії, отриманій в результаті 
спалювання палива, коефіцієнт використання первинної енергії палива, який є 
відношенням отриманої корисної теплової енергії до енергії, що міститься в 
паливі й вивільняється при його спалюванні, зазвичай не нижчий, ніж при 
спалюванні палива в котлі безпосередньо на об’єкті. Це без врахування тепла, 
що залишається після вироблення електроенергії на електростанції і зазвичай 
також використовується для опалення. При високій ефективності системи цей 
коефіцієнт може перевищувати одиницю, тобто кількість тепла, отриманого від 
8 
 
теплового насоса, може перевищувати кількість енергії, що виділяється при 
безпосередньому спалюванні палива. 
 
1.2 Принцип дії та розвиток теплових насосних систем 
 
Тепловий насос – це пристрій, який за допомогою термодинамічного 
циклу переносить тепло від джерела з низьким потенціалом до приймача з 
вищим потенціалом. Основною метою теплових насосів є нагрівання 
середовища, хоча вони також можуть забезпечувати охолодження. Теплові 
насоси можуть використовувати різні джерела низькопотенційного тепла, такі 
як повітря, ґрунт, підземні води чи поверхневі води. Найбільш поширеними є 
парокомпресійні теплові насоси, які генерують теплову енергію у кілька разів 
більшу, ніж споживають електроенергії, що робить їх економічно ефективними 
пристроями для теплопостачання. 
Основу роботи теплових насосів складає компресійний цикл Карно, у 
якому холодоагент проходить через кілька етапів зміни свого стану. 
Принципова схема системи теплопостачання на основі парокомпресійного 
теплового насоса показана на рисунку 1.1.  
 
Рисунок 1.1 – Принцип дії парокомпресійного теплового насоса 
 
На ній представлена загальна конфігурація системи, що включає 
тепловий насос, рідинний контур для забору та передачі низькопотенційного 
9 
 
тепла (НПТ) від джерела до ТН і рідинний контур для розподілу виробленого 
тепла. В деяких випадках система може працювати без одного з контурів, якщо 
можливий безпосередній теплообмін між середовищем і робочою речовиною 
ТН без використання проміжного теплоносія. 
У теплових насосах використовуються різні холодоагенти, зокрема 
хлорфторвуглеводні, загальновідомі як фреони, які широко застосовуються в 
установках малої та середньої потужності. У схемі тепловий насос зображено у 
вигляді замкнутого фреонового контуру з чотирма основними елементами: 
випарником, конденсатором, компресором та дросельним пристроєм. Контур 
має зони високого і низького тиску. У випарнику при низькому тиску 
відбувається кипіння фреону за температури, трохи нижчої за температуру 
джерела НПТ, що дозволяє забирати тепло від цього джерела. Після 
випаровування фреон компресором подається в зону високого тиску, де 
конденсується у конденсаторі за вищої температури, виділяючи корисне тепло. 
Потім фреон повертається в зону низького тиску, проходячи через дросельне 
пристрій, яке може бути терморегулювальним клапаном, електронним 
вентилем або  
На практиці тепловий насос часто доповнюється додатковими 
елементами і може виконуватись у реверсивній схемі, яка дозволяє змінювати 
напрямок руху фреону, забезпечуючи опалення і охолодження. Класифікація 
теплових насосів може здійснюватися за джерелом НПТ (зовнішнє повітря, 
ґрунт, підземні води, поверхневі води, теплові відходи тощо), комбінацією 
середовищ для забору та передачі тепла («повітря-повітря», «повітря-вода», 
«ґрунт-вода» тощо), типом приводу (електродвигун, двигун внутрішнього 
згоряння) і способом регулювання потужності (перемикання циклів, частотне 
регулювання). 
Найбільше виробництво та використання теплових насосів сьогодні 
спостерігається в таких країнах, як США, Японія, Швейцарія, Австрія, 
Німеччина, Данія, Китай, Канада та інших [2]. На початку 2000-х років загальна 
теплова потужність діючих у світі теплових насосів різного типу оцінювалась у 
10 
 
250ГВт з річним виробітком тепла в 1,0 млрд Гкал, що відповідає заміщенню 
органічного палива обсягом до 80 млн т умовного палива на рік [8] 
Найбільшого поширення набули малопотужні побутові системи на 5–7 
кВт. Вони переважно представлені установками типу «повітря-повітря», які 
фактично є звичайними реверсивними кондиціонерами, і типу «повітря-вода». 
Ці системи широко використовуються в країнах і регіонах з відносно м'яким 
кліматом, як-от Японія та деякі штати США, для обігріву та кондиціювання 
житлових будинків. 
Водночас, наприклад, у Швеції розвиваються централізовані системи 
теплопостачання від великих теплонасосних станцій потужністю від 5 до 80 
МВт, які працюють на теплі побутових і промислових стоків, ґрунтових вод, 
озерної та морської води. У Швеції теплові насоси різних типів забезпечують 
близько 50% загальної теплової енергії країни, причому приблизно половина 
працюючих установок є великими промисловими системами. Найбільшою є 
теплонасосна станція у Стокгольмі потужністю 150 МВт на основі шести 
турбокомпресійних насосів, які використовують як джерело НПТ воду 
Балтійського моря [8]. 
Протягом останніх десятиліть теплові насоси активно розвивалися, і 
сьогодні їх застосовують у багатьох країнах світу для опалення як приватних 
будинків, так і великих об'єктів. Цей технологічний прогрес значною мірою 
сприяв скороченню витрат на енергію і розширенню можливостей для 
застосування теплових насосів у різних кліматичних умовах. 
 
1.3 Джерела низькопотенційного тепла та способи його 
використання 
 
До джерел низькопотенційного тепла належать як природні джерела, так 
і теплові відходи різних виробництв та житлово-комунального сектору 
(вентиляційні викиди будівель і споруд, каналізаційні стоки, скидне тепло 
технологічних процесів). Якщо говорити про масове впровадження систем 
теплопостачання на основі теплових насосів, особливо для заміських приватних 
11 
 
будинків та інших об'єктів поза містом, доцільно обмежитися природними 
джерелами НПТ, які є доступними майже всюди або зустрічаються досить 
часто, а саме: зовнішнє повітря, ґрунт і ґрунтові води, поверхневі водойми та 
водотоки. Низькопотенційне тепло, отримане з таких джерел, є відновлюваним 
енергетичним ресурсом. Перераховані середовища, по суті, є накопичувачами 
енергії, отриманої від Сонця. Наявність поблизу джерела відпрацьованого НПТ 
є досить рідкісною ситуацією, і кожен такий випадок вимагає індивідуального 
підходу до проєктування теплонасосної установки.  
До джерела НПТ для теплонасосної установки висувається ряд вимог. 
Найважливішою є температура джерела, оскільки від неї безпосередньо 
залежить ефективність вироблення тепла тепловим насосом: що менший 
перепад температур між джерелом НПТ і нагріваним середовищем, то більше 
тепла може передавати тепловий насос при тих самих затратах енергії. Якщо 
ТН використовується для опалення приміщень без потреби отримання високої 
температури від конденсатора (наприклад, у системах «тепла підлога», або 
радіаторах з великою площею теплообміну), то будь-який сучасний ТН 
забезпечить досить високу ефективність при температурі джерела НПТ вище 0 
°C, що економічно виправдовує його застосування. При нижчих температурах 
джерела НПТ економічна вигода знижується, і використання ТН може бути не 
завжди доцільним з точки зору окупності. Останнім часом з'явилися моделі 
теплових насосів типу «повітря-повітря» і «повітря-вода», які можуть 
працювати при температурі зовнішнього повітря до -25...-30 °C. Проте їхня 
ефективність на таких низьких температурах залишається досить низькою, а 
тепловіддача значно нижча від номінальної. 
Іншою важливою вимогою до джерела НПТ є його достатній тепловий 
потенціал для забезпечення потреб обраного об'єкта теплопостачання. Деякі 
джерела, як-от зовнішнє повітря чи морська вода, можна вважати майже 
необмеженими завдяки природній циркуляції, яка постійно підводить до 
теплообмінника нові, ще не охолоджені маси. Тепловий потенціал ґрунту, хоча 
й досить великий у масштабах людських потреб (з урахуванням глибоких 
шарів), на практиці розглядається лише як сезонний акумулятор тепла з 
12 
 
обмеженим запасом через низьку швидкість теплообміну. Потенціал ґрунту 
залежить від розмірів теплового контуру ТНУ, обсягу породи, що бере участь у 
теплообміні, а також від швидкості відновлення температури у ґрунті протягом 
теплої пори року. Виключенням є підземні води, потенціал яких є більш 
значним завдяки природному переміщенню водних мас у породі. Сезонний 
тепловий потенціал невеликих непроточних водойм обмежений і залежить від 
об’єму води, яку вони містять. Щодо водотоків, їхній потенціал обмежується 
кількістю тепла, яке можна одночасно відбирати з водного потоку в одній або 
декількох точках русла, не допускаючи замерзання води. 
Джерела НПТ різняться за складністю та вартістю організації системи для 
відбору тепла. Найпростіший варіант — відбір тепла з зовнішнього повітря, що 
передбачає встановлення повітряного теплообмінника з вентилятором на 
відкритому повітрі. Найскладнішою та найдорожчою, як правило, є система для 
відбору тепла з ґрунту, особливо з глибинних шарів. Через це ТНУ типу 
«повітря-повітря» і «повітря-вода» є найбільш поширеними у світі, оскільки 
використовують НПТ від зовнішнього повітря для генерування 
високопотенційного тепла. 
Однак, як вже зазначалося, основним недоліком таких установок є 
зниження ефективності та тепловіддачі при зниженні температури зовнішнього 
повітря. За низьких температур, коли потрібно найбільше тепла для 
підтримання комфортної температури в приміщенні, повітряні ТНУ 
демонструють найменшу тепловіддачу. Це створює поріг температури 
зовнішнього повітря, нижче якого ТН не здатний підтримувати потрібну 
температуру в приміщенні. Підбирати ТН, щоб він повністю покривав теплові 
потреби при найнижчих температурах, нераціонально, оскільки тоді насос 
виявиться надлишковим для більшості опалювального сезону. 
Окрім того, для повітряних ТН характерне обмерзання випарника, 
особливо за умов високої вологості, що знижує їхню ефективність і теплову 
віддачу. Це вимагає періодичного переходу ТН в режим розморожування 
(дефростації). Обмерзання та дефростація підвищують споживання 
електроенергії (або іншого ресурсу) та зменшують кількість виробленого тепла. 
13 
 
Таким чином, у регіонах з низькими зимовими температурами 
використання повітряних теплових насосів зазвичай має найнижчу 
ефективність порівняно з іншими типами ТН і часто вимагає додаткового 
джерела тепла, як от наприклад, прямий електро обігрів. 
У низці  країн з холодним кліматом, як-от у багатьох європейських 
країнах, Канаді та США, широко використовуються ТНУ, що відбирають НПТ 
ґрунту. Такі системи називають геотермальними. Станом на початок 2000-х у 
світі було понад 500 тисяч геотермальних ТНУ, і ця кількість суттєво зросла. 
Наприклад, у Європі в 2005–2015 роках щороку встановлювали близько 100 
тисяч таких ТН [13]. У Швеції, Швейцарії та Австрії геотермальні ТНУ 
становлять відповідно 28%, 40% і 82% від загальної кількості ТНУ, причому 
Швейцарія є світовим лідером у використанні НПТ поверхневих шарів землі на 
душу населення. 
Для відбору НПТ від ґрунту зазвичай використовують вертикальні зонди-
скважини (геозонди) або горизонтальні теплообмінники-колектори. Установки 
з відкритим контуром, які відбирають тепло з підземних вод, також відносяться 
до ґрунтових систем. У США близько 46% геотермальних ТНУ оснащено 
вертикальними зондами, 38% — горизонтальними колекторами, а 15% мають 
відкриті контури з використанням тепла ґрунтових вод [4].  
Рисунок 1.2 ‒ Теплонасосні системи теплопостачання с вертикальним (а) и горизонтальним 
(б) теплообмінником-коллектором 
 
14 
 
Основним недоліком геотермальних ТН є висока вартість, пов’язана з 
дороговартісним монтажем контуру для відбору тепла через значні обсяги 
земляних і бурильних робіт. 
Особливо цікавим є використання водотоків як джерела тепла, оскільки 
вони забезпечують постійний потік води, що сприяє підтримці стабільної 
температури. Проте організація ефективного відбору тепла від водних об'єктів, 
таких як водотоки, залишається викликом через обмежену кількість науково 
обґрунтованих методик і технічних рішень. Також доступ до таких джерел НПТ 
не є загальнодоступним, а компанії, які займаються організацією теплонасосних 
систем, зазвичай обирають технології, що підходять для більшості потенційних 
споживачів.  
Однак використання тепла таких джерел у випадках, коли поблизу 
об’єкта розташований водойм або водоток із відповідним потенціалом, дає 
значні переваги: це дозволяє створити теплонасосну систему з ефективністю, 
порівнянною з ефективністю геотермальної ТНУ, але з меншими затратами на 
облаштування контуру відбору тепла. Використання водотоків, як великих, так 
і малих, є перспективним, оскільки навіть невеликий цілорічний водотік 
здатний забезпечити достатньо НПТ для теплопостачання заміського будинку. 
 
1.4 Способи відбору низькопотенційного тепла від водного 
середовища 
 
Існує кілька способів відбору тепла з водойми або водотоку. Вибір схеми 
залежить від різних факторів: віддаленості джерела НПТ, рухливості водного 
середовища, агресивності та забрудненості води, температури тощо. Підходи до 
відбору тепла для великих потужних систем можуть відрізнятися від підходів 
для невеликих індивідуальних систем. Наприклад, проєктування великих 
теплонасосних систем потужністю у десятки й сотні мегават, як у Швеції, є 
складним завданням і потребує індивідуального підходу. Водночас, у межах 
даної роботи увага зосереджена на рішеннях для невеликих і середніх ТНУ, що 
використовуються більш масово. 
15 
 
На сьогодні значна частина досліджень присвячена покращенню 
ефективності теплових насосів за допомогою оптимізації конструкцій 
теплообмінників, використання сучасних матеріалів та вдосконалення 
термодинамічних циклів. 
Найпростішою та економічно вигідною схемою здається відкритий 
контур без проміжного теплоносія, де вода забирається з джерела, прокачується 
через теплообмінник-випарник і повертається охолодженою у водойму або 
водотік [9]. Однак цей варіант підходить не завжди і має кілька істотних 
недоліків, таких як можливість замерзання води в холодний період, засмічення 
труб і теплообмінника через природні відкладення, а також законодавчі 
обмеження у низці країн на використання вод річок і озер. 
Через ці обмеження частіше застосовуються пасивні методи з 
використанням проміжного теплоносія. Найбільш поширеним є метод 
укладання на дно водойми поліетиленових труб, які утворюють так звані 
«мати» — аналог горизонтальних ґрунтових колекторів у ТНУ, що 
використовують тепло ґрунту [7]. 
Розміщення труб під водою, а не в ґрунті, має свої особливості в 
конструкції та монтажі. По-перше, зазвичай потрібно заздалегідь зібрати всю 
конструкцію, з’єднуючи пластикові труби між собою або закріплюючи їх на 
основі, наприклад, на сітці або рамі. Це робиться на березі. По-друге, необхідно 
забезпечити негативну плавучість конструкції після заповнення труб 
теплоносієм або іншим способом зафіксувати її під водою, оскільки поліетилен, 
з якого виготовлені труби, має меншу щільність, ніж вода. Хоча теплоносій має 
більшу щільність, цього часто недостатньо, щоб утримати конструкцію на дні, 
тому додають додаткові вантажі, щоб конструкція була плавучою до 
заповнення і могла бути легко переміщена на потрібне місце. Приклади різних 
конструкцій з поліетиленових труб наведені на рисунку 1.3. [16, 17, 18, 12, 20, 
21]. Іноді, коли можливо осушити водойму або перекрити водотік, можна 
просто закріпити труби на дні, як показано на рисунку 1.3з.  
16 
 
 
Рисунок 1.3 ‒ Приклади організації контурів відбору низькопотенційного тепла з 
водного середовища з використанням поліетиленових труб. а – [19], б – [20], в,г 
– [21], д – [15], е – [18], ж – [17], з – [66]. 
Водне середовище дозволяє знімати більше тепла з одиниці об’єму 
завдяки руху води через конвекцію, тому труби можуть розташовуватися 
щільніше. Оптимальна щільність розміщення труб не є загальноприйнятою: 
існують конструкції як з розрідженим розташуванням витків (рис. 1.3б), так і з 
дуже щільним, і навіть конструкції де труби з’єднані у бухти з невеликими 
проставками між витками (рисунок 1.3в, г, д), або клітка з щільними мотками 
труб (рисунок 1.3е). 
У світі існують компанії, що пропонують запатентовані теплообмінники 
для відбору низькопотенційного тепла (НПТ) з води. Наприклад, німецька 
компанія FRANK GmbH розробила пластиковий теплообмінник Lima-1 [23, 25]. 
Це циліндричний пакунок із численних пластикових трубок малого діаметра 
загальною довжиною 1680 м, розміщений у пластиковому корпусі шириною 
1,07 м і висотою 1,12 м (рисунок 1.4). Пристрій має масу 57 кг, об’єм теплоносія 
17 
 
— 62 л, та оснащений отворами зверху і знизу для проходження води завдяки 
конвекційному потоку. Теплообмінник має позитивну плавучість, тому для 
утримання під водою використовується спеціальний вантаж-якір. Згідно з 
інструкцією, пристрій слід розміщувати на глибині не менше 1,2 м від верхньої 
точки корпусу, але не менше ніж 0,6 м від дна (рисунок 1.5). Для потужних 
систем передбачено об'єднання кількох таких теплообмінників у контурі. 
Виробник вказує лише орієнтовний максимальний тепловий потік одного 
пристрою — 12–15 кВт, не зазначаючи, для яких температур води цей показник 
дійсний. 
 
Рисунок 1.4 ‒ Теплообмінник Lima-1 [25] 
 
Рисунок 1.5 ‒ Можливі способи закріплення теплообмінника Lima-1 під водою [25] 
 
18 
 
Загалом, за наявними даними складно оцінити ефективність цього 
рішення. Очевидно, що воно підходить переважно для досить глибоких водойм 
і річок глибиною не менше 3 м. Можна також припустити, що в разі 
використання в річці цей теплообмінник не продемонструє значно вищої 
ефективності, незважаючи на наявність течії, оскільки дозволяє лише 
вертикальний рух води всередині корпусу. На цей час активність виробника 
щодо таких теплообмінників невелика, а інформація про них на сайті компанії 
мінімальна. 
Американська компанія AWEB Supply пропонує для ринку США інше 
рішення для відбору тепла з води — плоскі металеві теплообмінники під 
марками Slim Jim і Geo Lake Plate [23]. Вони складаються з двох герметично 
зварених металевих листів, між якими є простір для циркуляції теплоносія 
(рисунок 1.6), з патрубками для підключення до труб. Матеріал виготовлення 
— різні марки нержавіючої сталі або титан, залежно від корозійної активності 
води. Компанія пропонує панелі розмірами від 61 x 183 см до 122 x 458 см. 
 
Рисунок 1.6 ‒ Теплообмінники Slim Jim [23] 
Панелі встановлюються вертикально в рамі з пластикових або металевих 
труб і розміщуються на дні водойми. Згідно з розрахунками виробника, 
тепловий потік становить 100 BTU (29,3 Вт) на 1 кв. фут поверхні за різниці 
19 
 
температур в 1 °C у стоячій воді, що відповідає коефіцієнту теплопередачі 315 
Вт/м²∙К. Відповідно, панель мінімального розміру забезпечує теплопередачу 
703 Вт/К, а максимальна — 3520 Вт/К. 
У результаті проведеного огляду було виявлено кілька зарубіжних 
наукових колективів, які останніми роками публікують дослідження на тему 
відбору низькопотенційного тепла (НПТ) з морської води за допомогою 
запропонованих ними конструкцій. У роботах одного з колективів [3] 
представлено результати кінцево-елементного аналізу та лабораторного 
дослідження теплообмінних процесів у багаторядному спіральному трубному 
теплообміннику з поліетиленової труби. Варто зазначити, що в їхній 
розрахунковій моделі враховується швидкість течії морської води. 
Інший науковий колектив [14] публікує результати теоретичних 
розрахунків і натурних досліджень роботи подібного теплообмінника для 
відбору НПТ з морської води, який представляє собою спірально намотану 
поліетиленову трубу на вертикальній металевій рамі . У їхніх роботах також 
розглядається швидкість течії морської води на місці установки 
теплообмінника як одна з основних змінних. Важливою відмінністю 
досліджень цього колективу є врахування впливу обледеніння труб на 
теплообмінні процеси. 
В Україні, однак, дослідження в цьому напрямі є обмеженими, що 
зумовлює необхідність розробки нових методик, які враховують специфіку 
місцевого клімату та ресурсів. Недостатня кількість методичних матеріалів 
щодо проєктування контурів забору тепла від водних об'єктів також є 
стримуючим фактором для широкого впровадження цих технологій. 
 
1.5 Висновки по розділу 
 
Широке впровадження ТН у системах опалення та гарячого 
водопостачання є одним із найважливіших енергозберігаючих заходів. 
Використання НПТ довкілля дозволяє економити первинні ресурси, а також 
знижує залежність від викопного палива, оскільки електроенергію для роботи 
20 
 
ТН можна виробляти з відновлюваних джерел. До того ж традиційні системи 
теплопостачання на основі котлів є неефективними з ексергетичної точки зору. 
Особливо актуальним є використання ТН для децентралізованого 
теплопостачання заміських будинків, де проблема теплопостачання стає 
першочерговою для домовласників, які часто не мають доступу до 
газопостачання. У світі вже давно активно застосовуються ТН, проте в Україні 
рівень їх впровадження значно відстає, що зумовлено високою вартістю систем, 
особливо тих, що використовують тепло ґрунту. До основних перешкод 
належать висока вартість ТН і тривалий термін окупності, відсутність 
державних субсидій, а також низька ефективність повітряних ТН при низьких 
температурах, що обмежує їхнє застосування. 
Водночас використання водотоків як джерела НПТ для ТН може стати 
перспективним рішенням. Такі системи дають змогу знизити витрати на 
монтаж, особливо за наявності відповідних природних умов. З огляду на 
зазначені особливості та сучасні тенденції у сфері теплопостачання, можна 
зробити висновок, що використання теплових насосів із низькопотенційним 
теплом має великий потенціал для зниження залежності від викопного палива 
та покращення енергетичної безпеки України. Проте для забезпечення високої 
ефективності та економічної доцільності теплонасосних систем із водними 
джерелами необхідні подальші наукові дослідження та технічні розробки, що й 
обґрунтовує актуальність проведеного дослідження. 
На основі цього було визначено мету дослідження: розробити і дослідити 
теплонасосну систему для економічного теплопостачання приватного будинку 
з використанням НПТ від відкритої водної течії.   
21 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Розділ 2 Розрахунки експериментальної 
теплонасосної установки 
  
МКР 24.144.98 ПЗ 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 Розроб. Приймак Д.Д.  Літ. Арк. Акрушів 
 Перевір. Беспалько С.А.. 
Розрахунки експериментальної   
 Реценз.  теплонасосної установки 
 Н. Контр.  22 ЧДТУ, мТЕ-35 
 Затверд.  Калейніков Г.Є. 
Розділ 2 Розрахунки експериментальної теплонасосної 
установки 
2.1 Аналіз застосовуваних конструкцій і вибір схемних рішень 
На основі огляду застосовуваних схем відбору НПТ з водного середовища 
(1.3) за базову для подальшого розгляду було обрано схему ТНУ із замкнутим 
контуром відбору НПТ, в якому циркулює низькозамерзаючий теплоносій 
(рисунок 2.1). Цей метод відбору НПТ з водного середовища можна вважати 
най універсальнішим. Метод розподілу виробленого тепла в контексті роботи 
не має значення, тому як базовий варіант обрано схему з безпосереднім 
нагрівом повітря в теплообміннику-конденсаторі ТН. 
 
Рисунок 2.1 ‒ Схема теплонасосної установки з контуром відбору НПТ від водотоку 
 
Щодо теплообмінної конструкції, де нагрів теплоносія відбувається за 
рахунок тепла водного середовища, для описаної схеми можливі різні варіанти 
її виконання. Як уже зазначалося, для відбору тепла від водної середовища 
зазвичай використовують рішення з укладанням на дно так званих матів з 
поліетиленових труб, через які прокачується теплоносій на основі гліколів. За 
аналогією з ґрунтовими колекторами цей варіант можна назвати донним 
колектором. Незважаючи на простоту конструкції та низьку вартість 
поліетиленових труб, цей метод відбору тепла не завжди є найраціональнішим. 
На рисунку 2.2 показана блок-схема, що пояснює вибір основних 
технічних рішень у випадку відбору тепла від середовища з низькою 
23 
 
теплоотдачею, такого як ґрунт. Схема дозволяє зрозуміти, чому саме колектори 
з поліетиленових труб є найкращим рішенням у таких умовах. 
 
Рисунок 2.2 ‒ Логіка вибору оптимальних технічних рішень для відбору тепла від 
середовища з низькою теплопередачою 
 
У випадку відбору тепла від водного середовища ситуація змінюється. 
Непорушну водну масу в стоячому водоємі, особливо в придонній області, не 
можна вважати середовищем з високою теплоотдачею, але виникаючі 
конвективні потоки дозволяють використовувати схеми з більшою щільністю 
теплового потоку і меншою поверхнею теплообміну. Таким чином, в ряді 
випадків конкуренцію масштабним донним колекторам з поліетиленових труб 
можуть скласти більш компактні погружні теплообмінники, які вже 
застосовуються в практиці створення таких ТНУ (1.3). Однак на сьогодні 
24 
 
спостерігається нестача доступних даних і відсутність порівняльних 
досліджень, які дозволяють точно визначати оптимальні рішення для кожного 
конкретного випадку відбору тепла з водоєма [7]. 
Водний потік, навіть з низькою швидкістю течії, є середовищем з високою 
теплоотдачею. Для досягнення найкращих техніко-економічних показників 
ТНУ, що використовує теплоту водотоку, доцільно врахувати цю особливість. 
Застосування традиційної схеми з донними матами стає нераціональним через 
низьку інтенсивність теплообміну між водою та трубою, що веде до таких 
наслідків: 
- підвищена матеріаломісткість через необхідність використання довгих 
труб та великих рам, а також значний обсяг теплоносія для їх заповнення; 
- потреба у достатньо великій площі дна для розміщення конструкції; 
- збільшені витрати енергії на прокачування теплоносія через велику 
довжину труби; 
- зростання різниці температур між теплоносієм і середньою 
температурою водотоку, що особливо помітно при наявності мулових 
відкладень на дні, що обмежують конвективний теплообмін. 
Останній показник має велике значення, оскільки максимальне 
наближення температури теплоносія до температури джерела НПТ дозволяє 
досягти найвищих показників продуктивності та ефективності теплового насоса 
[6]. Ступінь наближення температури теплоносія до температури джерела НПТ 
визначається температурним градієнтом у теплообмінному пристрої, який при 
заданій площі теплообміну обернено пропорційний коефіцієнту теплопередачі, 
що характеризує інтенсивність теплообміну. З теорії тепломасообміну відомо, 
що при одній і тій самій швидкості потоку теплообмін при поперечному 
обтікання труб інтенсивніший, ніж при поздовжньому або обтіканнях під 
певним проміжним кутом.  
Критерій Нуссельта для поперечного обтікання труб дає більші значення 
при тих самих числах Рейнольдса, ніж для інших видів обтікання, і тому 
коефіцієнт теплоотдачі на межі вода-стінка має найбільші значення. Отже, для 
максимальної інтенсифікації теплообміну завдяки природному руху води 
25 
 
потрібно орієнтувати труби в воді перпендикулярно течії і розміщувати їх у зоні 
найбільшої швидкості течії. Це неможливо досягти в схемах з донними матами 
або іншими зунурювальними конструкціями з укладеними витками 
пластикових труб. Для переважно перпендикулярного течії необхідні 
конструкції у вигляді трубних решіток, де основна довжина теплообмінного 
трубопроводу представлена прямими паралельними ділянками труб. 
Спеціальним випадком є плоский змієвик. Раціональним варіантом є 
теплообмінник з гладких не оребрених труб круглого перетину, що значно 
зменшує ймовірність їх засмічення водоростями і сміттям, а також спрощує 
виготовлення [10]. 
Одним із найбільших недоліків схеми з донними матами є потреба в 
значних обсягах теплоносія-антифризу, що вимірюється сотнями й тисячами 
літрів. Зазвичай використовуються розчини етиленгліколю або 
пропіленгліколю, при цьому етиленгліколь токсичний і небезпечний для 
людини і навколишнього середовища, а пропіленгліколь безпечний, але більш 
вязкий і дорожчий, що збільшує вартість установки. Вартість теплоносія на 
основі пропіленгліколю значно перевищує вартість самих труб і компонентів, 
що підвищує загальні витрати системи [6]. 
На основі викладеного вище можна сформулювати такі основні заходи, 
яких потрібно дотримуватись для досягнення поставлених цілей: 
- використання переваг рухомого середовища в водотоках шляхом 
розміщення пристрою відбору тепла у вигляді трубної решітки в зоні активного 
течії з розташуванням труб перпендикулярно течії замість традиційного 
безладного розміщення на дні; 
- оптимізація параметрів низькотемпературного контуру, насамперед 
геометричних параметрів теплообмінного пристрою, гідравлічного опору 
контуру та витрати теплоносія. 
  
26 
 
2.2 Проведення попередніх розрахунків  
 
Розробку системи теплопостачання необхідно оцінювати з економічної 
точки зору. Для створення економічно ефективної системи важливо 
забезпечити високу ефективність роботи ТНУ та знизити її вартість, зокрема, 
шляхом зменшення матеріаломісткості контуру відбору НПТ. Альтернативним 
підходом є оптимізація за критерієм терміну окупності, що поєднує вартість і 
ефективність системи, даючи змогу порівняти її з іншими варіантами. 
Система теплопостачання приватного будинку є життєво необхідною, а 
не джерелом доходу, проте ефективніша система дозволяє знизити витрати, що 
приносить вигоду. Тому для оцінки терміну окупності потрібно порівняти нову 
систему з традиційними аналогами, наприклад, прямим електрообігрівом, 
оскільки обидві системи можуть бути порівняні: 
- Обидві системи працюють від електроенергії, і будівлі, забезпечені 
мережею електричної енергії, є основними об'єктами для оснащення тепловими 
насосами. 
- Подібний рівень безпеки і комфорту для споживача: обидві системи не 
потребують постійного контролю за роботою та забезпеченням паливом. 
- Система прямого електрообігріву має низькі капітальні витрати і не 
вимагає спеціальних умов для організації, що пояснює її поширеність. У 
крайніх випадках система може складатися з електричних обігрівачів з 
термостатами в кожному приміщенні, без централізованого розподілу тепла. 
Оскільки обидві системи працюють на одному й тому ж ресурсі — 
електроенергії, порівняльні розрахунки залишатимуться практично незмінними 
незалежно від коливань цін на енергоресурси. 
Як цільову функцію оптимізації вибрано функцію простого строку 
окупності організації ТНУ з відбором тепла від водотоку за допомогою 
розроблюваного теплообмінника, порівняно з системою прямого 
електрообігріву, виражену в роках:   
                                                            (1) 
27 
 
де I0 — інвестиції в модернізацію системи теплопостачання (організацію 
ТН замість прямого електрообігріву), грн.;  E — річна вигода від застосування 
ТНУ порівняно з електрообігрівом, грн./рік. 
Для оптимізації розміру розроблюваного теплообмінника, що відбирає 
низькопотенційне тепло від водотоку, змінними оптимізації є параметри, що 
характеризують площу теплообмінної поверхні, енергетичні втрати та 
матеріаломісткість. Основними параметрами є діаметр і загальна довжина труб 
теплообмінника. В якості діаметра слід використовувати номінальний 
(умовний) діаметр труби, який визначає внутрішній діаметр і впливає на 
гідравлічні та енергетичні втрати. Внутрішній діаметр труби є основним 
параметром, тоді як зовнішній діаметр залежить від товщини стінки і мало 
впливає на тепловий опір. Товщину стінки слід вибирати мінімальною для 
досягнення кращої теплової ефективності та зниження матеріаломісткості. 
Другою змінною є сумарна довжина труб теплообмінної решітки, що 
варіюється від мінімального значення до заданого максимального, яке 
обирається з урахуванням раціональних міркувань або попередніх розрахунків. 
Сумарна довжина включає як прямі, так і вигнуті ділянки труб. Ці дві змінні 
достатні для визначення площі теплообмінної поверхні, матеріаломісткості, 
гідравлічних втрат та інших характеристик теплообмінника. 
В результаті умови задачі оптимізації можна записати наступним чином:   
,                                          (2) 
де: -Tок — строк окупності, роки;   
D — діаметр труб, м;   
L — сумарна довжина труб, м;   
I₀ — інвестиції в модернізацію системи теплопостачання (організацію ТН 
замість прямого електрообігріву), грн.;   
E — річна вигода від застосування ТН порівняно з електрообігрівом, 
грн./рік. 
28 
 
Річна вигода E визначається кількістю зекономленої електроенергії. У 
разі прямого електрообігріву споживана енергія дорівнює кількості 
виробленого тепла, що залежить від потреб об'єкта. При опаленні через ТН 
кількість виробленого тепла залишається такою ж, але споживана 
електроенергія значно менша. Енергетична ефективність ТН оцінюється 
коефіцієнтом корисного дії нагріву COP (анг. coefficient of performance). 
,                                                          (3) 
де: qт — отримана тепловая потужність, Вт;  P — витрачена електрична 
потужність, Вт. 
Формула (3) описує миттєвий коефіцієнт перетворення, значення якого 
залежить від поточних умов роботи установки. Аналогічно, можна виразити 
середнє значення коефіцієнта перетворення за певний період роботи. 
Середньорічне значення COP установки буде виражатися наступним чином: 
��т.річ
��ТНУ.СР = ,                                                     (4) 
��ТНУ
де:  ��т.річ — річне виробництво тепла установкою, кВт·год;  ��ТНУ — річне 
споживання електроенергії на виробництво тепла, кВт·год.   
Зважаючи на те, що в разі прямого електрообігріву витрати електроенергії 
��ез дорівнюють виробленому теплу ��т.річ отримуємо формулу для величини 
грошової економії від використання теплової насосної системи 
теплопостачання: 
��т.річ 1
Е =  Ве.е ∙ (��е.з − ��ТНУ) = Ве.е ∙ (��т.річ − ) = В
�� е.е ∙ ��т.річ ∙ (1 − ), (5) 
ТНУ.СР ��ТНУ.СР
де:   Ве.е — вартість електроенергії, грн./кВт·год. 
Величина середньорічного коефіцієнта перетворення ТНУ ��ТНУ.СР 
пов'язана з миттєвим коефіцієнтом перетворення  ��тну установки, який, у свою 
чергу, залежить від значень змінних оптимізації, а також від умов роботи 
установки. Таким чином, функціями змінних оптимізації є величина 
середньорічного COP ��ТНУ.СР(��, ��) і, відповідно, щорічна грошова економія E 
(D,L). У результаті цільова функція може бути представлена наступним чином: 
29 
 
�� �� +С
Т (��, ��) = ����������− альт ТО∙Мзм(��,��)
ОК ,                                           (6) 
1
Ве.е∙��т.річ∙(1− )
��ТНУ.СР(��,��0
де: ��ТНУ.СР(��, ��0) — безрозмірний середньорічний коефіцієнт 
перетворення як функція від D та L; СТО — величина загального 
здорожчання конструкції від кожного додаткового кілограма маси трубної 
решітки, грн./кг; Мзм — маса труб трубної решітки як функція від D та L, 
кг; 
Умови роботи ТНУ, такі як температура джерела НПТ та теплоносія, 
можуть змінюватися непередбачувано протягом року, тому миттєвий 
коефіцієнт перетворення ТНУ також змінюється. Для розрахунку цільової 
функції прийнято припущення, що середньорічний COP відповідає миттєвому 
COP, обчисленому для найбільш ймовірних умов роботи установки. Якщо 
система містить ТН змінної потужності, то частота обертання компресора 
також стає змінною умовою. Аналітично виразити залежність COP від 
параметрів теплообмінника неможливо, оскільки вони складно впливають на 
ефективність ТН. Існуючі загальні аналітичні залежності [2] не враховують 
індивідуальні особливості конкретних моделей ТН і часто суттєво не збігаються 
з реальними залежностями. Тому в оптимізаційному розрахунку 
передбачається використання табличних даних, наданих виробником ТН або 
попередньо виміряних. 
Температура кипіння фреона, яка впливає на показники ТНУ, завжди 
нижча за температуру джерела НПТ на величину температурного градієнта в 
контурі відбору НПТ. Цей градієнт залежить від теплового опору 
теплообмінника та переданого теплового потоку. Тепловий потік, що 
відбирається ТН, залежить від температури теплоносія на вході в випарник та 
витрату теплоносія в контурі. Для вирішення цієї задачі застосовується метод 
ітерацій. На COP установки також впливає потужність, що витрачається на 
циркуляцію теплоносія, яка залежить від змінних оптимізації D і L. Витрата 
теплоносія буде налаштовуватися для оптимізації загальної ефективності. 
Зв'язок коефіцієнта перетворення ТНУ з змінними оптимізації за інших рівних 
умов можна представити наступним чином: 
30 
 
�� (�� (��,��))
��ТНУ.СР(��, ��0) = т вип
,                                (7) 
��компр(��вип(��,��))+��цн(��,��)+��дод
де:   
 ��т(��вип(��, ��)) — тепловіддача установки як функція від ��вип, Вт;   
 ��компр(��вип(��, ��))— електрична потужність, що споживається 
компресором ТН, як функція від ��вип, Вт;   
 ��цн(��, ��) — електрична потужність, що споживається циркуляційним 
насосом, як функція від D та L, Вт;   
 ��вип(��, ��) — температура кипіння фреона в випарнику ТН як функція 
від D та L, Вт;   
 ��дод — електрична потужність, що споживається іншими компонентами 
ТН, Вт. 
Аналіз цільової функції через змінні оптимізації складний, тому обрано 
метод перебору [11] для розрахунку COP для заданих значень D та L. Метод 
перебору включає пошук значень для кожної комбінації змінних з дискретними 
значеннями в заданому діапазоні та подальший аналіз для знаходження 
мінімуму цільової функції. Оптимізація також передбачає налаштування 
витрати теплоносія для кожної комбінації D і L для максимального COP, що 
забезпечує оптимальну ефективність. Витрата теплоносія оптимізується 
методом перебору, з урахуванням гідравлічних та теплових розрахунків. 
Умови та припущення моделі: 
1. Трубна решітка виготовлена з неоребрених труб круглого перерізу. 
2. Трубна решітка буде розташована в потоці так, щоб забезпечувалося 
поперечне обтікання труб. 
3. Теплообмінник розміщується в зоні активного течії з рівною швидкістю 
води навколо труб. 
4. Температура води в потоці вважається сталою, без значного охолодження 
при проходженні через теплообмінник. 
5. Інтенсивність теплообміну в місцях вигинів труб не враховується, вся 
решітка розглядається як одна суцільна труба. 
6. Розрахунок проводиться для роботи ТНУ на відбір тепла з водотоку. 
31 
 
7. Розрахунок для стаціонарного режиму, вважається, що процес 
квазистаційний. 
8. Лід утворюється, коли температура поверхні труб нижче 0°C. 
9. Розрахунок проводиться для стабільного стану обледеніння. 
10. Товщина льодового шару постійна по окружності труби. 
З пунктів 8 і 9 випливає, що після стабілізації процесу і припинення 
подальшого намерзання температура на межі лід-води (поверхня льодяної 
корки) буде дорівнювати 0 °C, а межа зони обледеніння по довжині труби буде 
на відстані 50% від перерізу, де температура зовнішньої стінки труби 
переходить через 0 °C (рисунок 2.3). 
 
Рисунок 2.3 ‒ Умови на поверхні теплообмінної труби при наявності часткового 
обледеніння по довжині, характерні для розглянутого стабільного режиму. 
 
Для оптимізаційних розрахунків була створена розрахункова програма в 
середовищі MathCAD Початковими даними для розрахунку є: характеристики 
передбачуваного теплового насоса, зокрема залежності споживаної електричної 
та виробленої теплової потужності від температури випаровування фреону; 
характеристики передбачуваного циркуляційного насоса; дані про джерело 
НПТ (температура та швидкість течії); набір значень змінних 
оптимізації D та L (задається діапазон значень та крок); фізичні властивості 
матеріалів та інші параметри [10]. 
Для вирішення цієї задачі оптимізації необхідно виконати численні 
розрахунки для різних комбінацій початкових параметрів (довжина та діаметр 
труб теплообмінної решітки, витрата теплоносія) і потім порівняти результати, 
щоб отримати залежності. 
32 
 
Теплофізичні властивості теплоносія (питома) теплоємність, 
теплопровідність, динамічна в'язкість) задаються у вигляді матриць, де кожен 
стовпчик містить ряд даних для однієї температури та різної щільності розчину. 
Щільність розчину вибрана як визначальний параметр замість концентрації, 
оскільки концентрацію розчину важко оцінити без лабораторного аналізу, а 
щільність можна легко виміряти ареометром. За щільністю розчину можна з 
достатньою точністю оцінити його концентрацію. 
Характеристики теплового насоса вводяться у вигляді рядів значень 
споживаної електричної та виробленої теплової потужності залежно від 
температури випаровування фреону для кількох режимів потужності ТН (у разі 
застосування ТН з частотно-регульованим компресором). Потім ці ряди 
перетворюються в функції від температури випаровування. 
Гідравлічний розрахунок проводиться стандартними методами через 
визначення критеріїв Рейнольдса для течії в трубах теплообмінника та 
з'єднувальних трубопроводах, а також розрахунок сумарних гідравлічних втрат. 
Число Рейнольдса обчислюється за стандартною формулою: 
                                                              (8) 
де:   
V — швидкість потоку, м/с;   
d — характерний розмір (діаметр для труб круглого перерізу), м;   
ν — кінематична в'язкість середовища, м²/с. 
 
Після цього розраховується енергоспоживання циркуляційного насоса, 
що необхідно для подальших розрахунків сумарного енергоспоживання та COP 
ТНУ. 
Тепловий розрахунок організовано так: для поперечного обтікання труб 
теплообмінної решітки обчислюються числа Рейнольдса та Нуссельта. 
Отримані значення загальні для діаметра труб, для якого проводиться 
розрахунок. Для течії теплоносія в трубах значення критерію Рейнольдса вже 
33 
 
обчислені в гідравлічному розрахунку, а критерій Нуссельта розраховується 
для всіх комбінацій витрат теплоносія і довжини труб. Критерії Нуссельта 
обчислюються за відомими формулами [1, 26].  
Для поперечного обтікання круглих труб це виглядає так: 
 
(9) 
(10) 
Для потоку теплоносія в трубах: 
(11) 
(12) 
(13) 
де:  Re — число Рейнольдса; Prw — число Прандтля для рідини при 
температурі рідини та стінки відповідно;  d — діаметр труби, м; l — довжина 
канала, м;  μl, μw — динамічна в'язкість рідини при температурі рідини та стінки 
відповідно, Па·с. 
Далі обчислюється коефіцієнт тепловіддачі від стінки труби до 
теплоносія (також для всіх комбінацій витрат теплоносія та довжини труб 
теплообмінної решітки). Коефіцієнт тепловіддачі від води до стінки труби, в 
загальному випадку обчислюваний за стандартною формулою на основі чисел 
Прандтля, Нуссельта та Рейнольдса [1], задається як функція від товщини 
можливого льодового шару на поверхні труби з підстановкою виразу для числа 
Рейнольдса та виразів (9) і (10) для числа Нуссельта. Для випадку Re > 10³ 
функція коефіцієнта тепловіддачі має наступний вигляд: 
 
(14) 
де:   
λВ, PrВ, νВ — теплопровідність (Вт/(м·К)), число Прандтля і кінематична 
в'язкість (м²/с) річкової води (різниця в значеннях числа Прандтля для загальної 
маси води та прикордонної області не враховується через її незначність у цій 
задачі). 
d — зовнішній діаметр труби, м;   
34 
 
ΔЛ — середня по окружності товщина шару льоду на трубі, м;   
νВ — кінематична в'язкість води в річці, м²/с;   
λВ — теплопровідність теплоносія, Вт/(м·К). 
Лінійний коефіцієнт теплопередачі для тонкостінної труби допускається 
обчислювать по спрощеному методу через простий (не лінійний) коефіцієнт 
теплопередачі K, що має розмірність Вт/(м²·К), і приводиться до одного з 
діаметрів труби, що дає незначну похибку. Обчислюється за наступною 
формулою [26]:   
(15) 
 
де:   
αнар, αвнутр — коефіцієнт тепловіддачі зовнішньої і внутрішньої поверхні 
труби відповідно, Вт/(м²·К);   
δст — товщина стінки труби, м;   
λст — коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки труби, Вт/(м·К). 
Якщо допустити, що охолодження води по мірі протікання через 
теплообмінник незначне, для процесу нагріву теплоносія в трубі, то існує 
диференційне рівняння, яке показує залежність зміни температури теплоносія 
від пройденої відстані [14]: 
 
(16) 
 
де:   
 Tвнутр(x) — температура теплоносія залежно від пройденого шляху по 
теплообміннику, К;   
x — пройдений теплоносієм шлях по трубах, м;   
d — розрахунковий діаметр труби, для якого обрано середній діаметр, м;   
K — коефіцієнт теплопередачі від води до теплоносія, Вт/(м²·К);   
TР — температура річкової води, К;   
G — витрата теплоносія, кг/с;   
C — питома теплоємність теплоносія, Дж/(кг·К). 
35 
 
Це рівняння має аналітичне рішення і воно має вигляд формули: 
  
(18) 
 
де:   
Tвх — температура теплоносія на вході в трубний теплообмінник, К. 
При відборі НПТ від водотоку за допомогою занурених теплообмінників 
можливе обледеніння на зовнішній поверхні теплообмінника, якщо 
температура стінки труби знижується нижче температури замерзання води. Це 
погіршує теплообмін, але не припиняє його. Без врахування обледеніння 
необхідно обмежувати максимальну щільність теплового потоку, щоб уникнути 
обледеніння, але підвищення цієї щільності дозволяє проектувати компактніші 
та менш матеріаломісткі теплообмінники. 
На відміну від стандартного розрахунку теплообмінника, в цій задачі 
теплообмінник розглядається разом з тепловим насосом, де відбираємий 
тепловий потік непостійний. Залежність відбираємого теплового потоку від 
температури теплоносія зазвичай вказується виробником теплового насоса. В 
усталеному режимі роботи установки повинна дотримуватись рівністі теплових 
потоків (без урахування втрат): відбираємого теплообмінником від водотоку та 
відбираємого тепловим насосом від теплоносія. Ці величини залежать від 
температури теплоносія протилежним чином: при підвищенні температури 
перша величина зменшується, а друга збільшується.  
Для наочного демонстрування суті задачі в уже складеному 
розрахунковому файлі в середовищі MathCAD був побудований графік 
(рисунок 2.4). На графіку наведено приклади залежностей теплових потоків від 
температури теплоносія, отримані в розрахунковій програмі на основі певних 
вихідних даних. Установлений режим роботи установки відповідає точці 
перетину цих кривих. 
36 
 
 
Рисунок 2.4 — Приклади графіків залежностей 
теплових потоків від температури теплоносія. 
Для пошуку такої точки був обраний метод послідовних наближень [26] і 
розроблений розгалужений ітераційний алгоритм. Для водотоку, теплоносія і 
зануреного теплообмінника з заданими параметрами, а також ТН з відомою 
характеристикою, цей метод дозволяє обчислити температуру входу теплоносія 
в теплообмінник, температуру виходу і відбираємий тепловий потік. Цей 
алгоритм реалізований в розрахунковому файлі MathCAD у вигляді 
підпрограми, яка виконує описані обчислення багаторазово для різних 
комбінацій перебираємих початкових параметрів (довжина труб 
теплообмінника, витрата теплоносія, режим потужності). Результатом 
виконання підпрограми є матриця рішень. 
За результатами розрахунку в матрицю рішень для всіх комбінацій витрат 
теплоносія, довжини труб теплообмінної решітки та режиму роботи ТН 
заносяться такі обчислені значення: 
- витрата теплоносія, кг/с; 
- сумарні гідравлічні втрати, Па; 
- температура входу теплоносія в теплообмінник, К; 
- температура виходу теплоносія з теплообмінника, К; 
- споживана циркуляційним насосом електрична потужність, Вт; 
- споживана тепловим насосом електрична потужність, Вт; 
37 
 
- сумарна споживана електрична потужність, Вт; 
- виділений тепловий потік (прийнятий як сума відбираємого випарником 
теплового потоку і споживаної тепловим насосом електричної потужності, що 
справедливо для випадку розташування ТН всередині опалювального 
приміщення), Вт; 
- COP ТН (відношення виділеного теплового потоку до споживання ТН); 
- COP ТНУ (відношення виділеного теплового потоку до сумарного 
споживання ТН і ЦН); 
Далі проводиться аналіз отриманого масиву Детальніше це описано в 
пункті 2.4 на прикладі оптимізації теплообмінника для експериментальної ТНУ. 
  
38 
 
2.3  Вибір матеріалу труб та теплоносія 
 
Розроблена розрахункова програма спочатку була застосована для 
попередньої оцінки впливу різних факторів. В перших розрахунках було 
оцінено вплив швидкості течії водотоку. Для розрахунків були задані вихідні 
дані та властивості матеріалів. В якості матеріалу труб вибрано поліетилен, а 
теплоносієм став водний розчин пропіленгліколю з температурою замерзання -
20°C. Це поєднання часто використовується в схемах відбору 
низькопотенційної теплоти як від ґрунту, так і від водної середовища. Для 
характеристики теплового насоса були використані дані електроспоживання та 
тепловиділення від інверторного кондиціонера Panasonic CS-E15DKD, 
обраного для виготовлення теплового насоса «вода-повітря». Для 
експериментальної ТНУ була обрана характеристика для режиму малої 
потужності. Також були задані характеристики реального циркуляційного 
насоса для обліку енергозатрат на циркуляцію теплоносія через труби 
теплообмінника. За розрахункову температуру водотоку взято 8°C. 
Для оцінки впливу швидкості течії розроблена розрахункова програма 
була застосована не в повному обсязі, а лише частково, щоб знайти COP 
установки для конкретних довжини та діаметра труб. Це обумовлено тим, що 
порівнювати ефективність при різних швидкостях течії доцільно за однакових 
параметрів. Для розрахунку були вибрані труби з зовнішнім діаметром 25 мм і 
товщиною стінки 2 мм, а довжина труб теплообмінника була задана рівною 25 
м. Така довжина була вибрана через те, що лінійна щільність відбираємого 
теплового потоку для цього випадку становить близько 50 Вт/м, що є 
прийнятним для відбору тепла від рухомого водної середовища. Під час 
розрахунку було визначено оптимальне значення витрати теплоносія (0,16 кг/с), 
для якого і проведено подальші розрахунки. Розрахунки виконувалися для 
діапазону швидкостей течії від 0,01 до 0,5 м/с. Для нерухомої водної 
середовища ця програма непридатна, оскільки вона розрахована тільки для 
випадку примусового обтікання труб водою. Результати розрахунку 
коефіцієнта перетворення представлені на рисунку 2.5. 
39 
 
 
Рисунок 2.5 — Розрахункова залежність коефіцієнта перетворення ТНУ від швидкості 
течії водотоку при поперечному обтікання поліетиленових труб. 
 
З графіка видно, що швидкість руху води, яка обтікає труби 
теплообмінника, значно впливає на ефективність установки. Хоча розрахункова 
програма не дає значень для випадку стоячої води, очевидно, що інтенсивність 
теплообміну в зоні течії водотоку значно вища, ніж у стоячій воді, що 
підтверджує доцільність використання переваг течії. Але варто відзначити, що 
підвищення швидкості течії понад 0,1–0,2 м/с мало впливає на ефективність 
установки, і значення COP становить лише близько 3,3, хоча згідно з 
характеристиками обраного ТН, при зазначеній температурі водотоку він (без 
урахування споживання ЦН) міг би працювати з COP близько 4,1. Для аналізу 
причин цього було необхідно розглянути значення коефіцієнтів тепловіддачі та 
окремих термічних опорів. 
З'ясувалося, що для розглянутого випадку тепловий опір тепловіддачі на 
межі вода-стінка значно менший за два інших термічних опори — тепловий 
опір теплопровідності стінки та тепловий опір тепловіддачі на межі стінка-
теплоносій. З теорії тепломасообміну відомо, що коефіцієнт теплопередачі від 
рідини до рідини через теплообмінну поверхню (величина, що характеризує 
40 
 
інтенсивність теплообміну) є оберненою величиною від загального теплового 
опору — суми окремих термічних опорів на шляху передачі теплоти. Отже, 
коли хоча б один з елементів (термічних опорів) значно більший за інші, він 
буде в значній мірі визначати загальний тепловий опір та коефіцієнт 
теплопередачі, а зменшення інших, малих елементів, не матиме суттєвого 
ефекту. У розглянутому випадку розрахунок дав наступні значення складових 
загального термічного опору для швидкості течії 0,5 м/с: 
 
 
 
(23) 
 
 
Тепер видно, що тепловий опір теплопровідності стінки труби та 
тепловий опір тепловіддачі на межі стінка-теплоносій на порядок вищі за 
тепловий опір тепловіддачі на межі вода-стінка. Тобто, низька теплопровідність 
стінки труби та низька інтенсивність тепловіддачі від стінки до теплоносія є 
обмежувальними факторами, які не дозволяють повністю використовувати 
переваги інтенсивного зовнішнього теплообміну в умовах водотоку. Для 
досягнення суттєвого збільшення інтенсивності теплообміну необхідно значно 
зменшити обидва ці термічні опори. 
Тепловий опір стінки визначається товщиною стінки труби та 
коефіцієнтом теплопровідності матеріалу. Використовувати полімерні труби з 
суттєво меншою товщиною стінки неможливо, оскільки товщина стінки 
визначається, насамперед, вимогами до механічної міцності, а також 
промисловість не випускає тонкостінні труби. Таким чином, єдиний спосіб 
значно знизити цей термічний опір — використовувати труби з матеріалів з 
набагато вищою теплопровідністю. Такими матеріалами, по суті, є лише 
метали. Нижче в таблиці 2.1 наведено порівняння значень коефіцієнтів 
теплопровідності, характерних для поліетилену та ряду металів і сплавів, що 
використовуються для виготовлення труб. 
41 
 
 
 
 
Таблиця 2.1 — Теплопровідність матеріалів труб 
Матеріал Середні значення коефіцієнта 
теплопровідності, Вт/(м·К) 
Поліетилен 0,43 
Нержавіюча сталь        26 
Вуглецева сталь 46 
Алюмінієві сплави       200..230 
Мідь 390 
 
З таблиці видно, що коефіцієнт теплопровідності у вуглецевої сталі більш 
ніж у 100 разів вищий, ніж у поліетилену. Відповідно, тепловий опір стінки 
сталевої труби на два порядки нижчий, ніж у поліетиленової труби, і на порядок 
нижчий за тепловий опір теплообміну від води до стінки, отриманий в 
розрахунках для швидкості течії 0,5 м/с. Також варто відзначити, що метали та 
сплави мають вищу міцність порівняно з поліетиленом, і з них виробляються 
труби з дуже тонкими стінками (1 мм або менше), що ще більше знижує 
тепловий опір. Найбільш тонкостінні труби, які могли б бути використані для 
розробленого теплообмінника, це труби з нержавіючої сталі, в тому числі гнучкі 
гофровані. 
Отже, можна зробити висновок, що для максимально ефективного 
використання переваг інтенсивного зовнішнього теплообміну в умовах 
водотоку потрібно використовувати металеві труби. При цьому вибір 
конкретного металу чи сплаву має сенс робити на основі оцінки вартості, 
корозійної стійкості та технологічності виготовлення, а не лише з огляду на 
значення коефіцієнта теплопровідності. Навіть труби з нержавіючої сталі, яка 
має досить низьку теплопровідність порівняно з кольоровими металами, будуть 
мати значно менший тепловий опір, ніж той, що виникає на межах рідина-
42 
 
стінка. З точки зору теплообміну немає необхідності використовувати дорожчі 
метали та сплави з високою теплопровідністю, такі як мідь, замість 
доступніших і менш теплопровідних матеріалів, оскільки це незначно вплине 
на загальну ефективність теплопередачі. 
Тепловий опір теплообміну на межі стінка-теплоносій визначається 
коефіцієнтом тепловіддачі авнутр, який, в першу чергу, залежить від критерію 
Нуссельта. Аналіз показав, що високі значення теплового опору теплообміну 
пов'язані з малими значеннями критерію Нуссельта (11),(12),(13), що 
пояснюється ламінарним типом течії рідини в трубі. Число Рейнольдса для течії 
в трубі склало 776, а граничне значення числа Рейнольдса, до якого течія в 
трубах круглого перетину вважається чисто ламінарною, складає 2300 [26]. 
Ламінарний режим течії характеризується низькою інтенсивністю теплообміну 
через утворення обмежувального теплообміну пограничним шаром рідини біля 
стінки труби. Для значного збільшення значень критерію Нуссельта та 
коефіцієнта теплообміну необхідно досягти, якщо не турбулентного, то хоча б 
змішаного (перехідного) режиму течії в трубі, що відповідає діапазону значень 
числа Рейнольдса від 2300 до 10000 [27]. 
Згідно формули (9), число Рейнольдса пропорційне швидкості потоку та 
діаметру труби і обернено пропорційне кінематичній в'язкості рідини. Значно 
збільшити чисельник, тобто добуток швидкості на діаметр, неможливо, 
оскільки це призведе до надмірного збільшення витрат потужності на 
циркуляцію теплоносія. Єдиним прийнятним шляхом для збільшення 
турбулентності потоку в трубі є зменшення знаменника формули (9), тобто 
зменшення в'язкості теплоносія. 
Тут варто згадати, який склад зазвичай мають теплоносії і чим 
обумовлений їх вибір. Поширеність гліколевих розчинів можна пояснити їх 
застосуванням як теплоносіїв високотемпературних контурів систем опалення 
всіх типів, де вони добре зарекомендували себе, оскільки іноді виникає 
необхідність запобігти замерзанню рідини в системі під час простою в 
холодний період року. В даний час для низькотемпературних контурів ТНУ, як 
43 
 
правило, використовуються розчини етиленгліколю або пропіленгліколю, що є 
традиційними теплоносіями для контурів опалення приватних будинків. 
Причина застосування концентрованих низькозамерзаючих розчинів навіть у 
контурі ТНУ, де в робочому режимі не передбачається зниження температури 
теплоносія суттєво нижче 0 °C, така ж, як і для контурів опалення. Таким чином, 
для низькотемпературного контуру ТНУ, розташованого на відкритому повітрі, 
потрібно використовувати досить концентровані розчини, які зберігають 
текучість принаймні до -30 °C. Якщо ж труби контуру заглиблені в ґрунт хоча 
б на мінімальну глибину і не виходять на поверхню на всьому протязі між 
тепловим насосом і водоємом, а блок теплового насоса розташований в 
приміщенні, то можна використовувати  більш  розбавлені  розчини,  що  
залишаються  рідкими  до  -10..-15°C.  
Проведені розрахунки показали, що застосування гліколевих розчинів 
для низькотемпературних контурів не зовсім виправдано. При температурах 
близьких до нуля, в'язкість теплоносія стає вирішальним фактором. 
Кінематична в'язкість пропіленгліколя (температура кристалізації -20 °C) при 5 
°C становить 12,5∙10⁻⁶ м²/с, що майже в 8 разів вище за в'язкість води при тій 
самій температурі (1,6∙10⁻⁶ м²/с). Розчин етиленгліколя має меншу в'язкість, але 
цього недостатньо, щоб значно збільшити число Рейнольдса. Крім того, 
етиленгліколь токсичний і небезпечний для навколишнього середовища, що 
робить його непридатним для систем, де може статися витік теплоносія в ґрунт 
чи воду. 
Тому використання високов'язкого теплоносія з металевими трубами не 
дозволяє повністю реалізувати їх переваги, оскільки термічний опір 
залишається значним через в'язкість теплоносія. Тому потрібно мінімізувати всі 
термічні опори, обираючи більш підходящий теплоносій. 
Для пошуку оптимального теплоносія був проведений аналіз різних 
різних за складом розчинів, що використовуються в холодильній техніці як 
холодоносії [7]. В результаті було визначено, що найбільш підходящими за 
44 
 
теплофізичними характеристиками є водні розчини солей (хлориди, форміати, 
ацетати). Однак, за сукупністю критеріїв, одним з найкращих для 
низькотемпературного теплоносія для теплових насосів є водний розчин 
хлориду кальцію (CaCl2) з додаванням інгібіторів корозії. Динамічна в'язкість 
розчину хлориду кальцію, що не замерзає до -30 °C, при 5 °C у 2,3 рази вища за 
в'язкість води (3,63∙10⁻³ Па∙с проти 1,55∙10⁻³ Па∙с). Ця в'язкість дозволяє 
забезпечити перехідний режим течії в трубах з прийнятними гідравлічними 
втратами. 
Вартість теплоносія впливає на максимальну економічно виправдану 
довжину низькотемпературного контуру ТНУ. Збільшення допустимої відстані 
до джерела НПТ робить установки доступними для більшої кількості 
споживачів. Обмеження на протяжність контуру — це теплові та гідравлічні 
втрати, а також вартість труб, теплоносія та робіт. Теплові втрати можна 
зменшити за допомогою теплоізоляції труб, а для зменшення гідравлічних втрат 
потрібно збільшити діаметр труб, що збільшить обсяг теплоносія, але низька 
вартість теплоносія дозволяє прокладати більш протяжні лінії. З точки зору 
вартості труб це не є критичним завдяки низькій вартості поліетиленових труб. 
Для використання в якості ЦН добре підходять низьковольтні 
циркуляційні насоси, що використовуються, зокрема, в індивідуальних 
системах сонячного теплопостачання. Такі насоси з "мокрим" ротором можуть 
працювати на 12 В або 24 В, мати полімерний корпус і робоче колесо, а також 
керамічну вісь обертання ротора. 
Як теплообмінник-випарник розчин-фреон можуть бути використані, 
наприклад, пластинчасті теплообмінники з нержавіючої сталі або 
теплообмінники типу "труба в трубі" з центральною трубкою з міді або 
нержавіючої сталі. 
Для оцінки впливу коефіцієнта теплопровідності матеріалу стінки та 
кінематичної в'язкості теплоносія на коефіцієнт перетворення розглядуваної 
модельної ТНУ можна використовувати наведені графіки. На рисунку 2.13 
45 
 
показано розрахунковий графік значення COP установки залежно від 
коефіцієнта теплопровідності матеріалу стінки. Розрахунки проводились для 
випадку, коли інші два термічні опори при передачі тепла через стінку труби 
мінімізовані: задана висока швидкість течії 0,5 м/с, а як теплоносій обрано 
розчин хлориду кальцію з температурою замерзання -20 °C. Інші початкові дані 
аналогічні тим, що були використані в перших розрахунках (зовнішній діаметр 
труб 25 мм, товщина стінки 2 мм, довжина труб 25 м, витрата теплоносія 0,16 
кг/с тощо). 
 
Рисунок 2.6 — Розрахункова залежність коефіцієнта перетворення ТНУ від 
коефіцієнта теплопровідності матеріалу стінки труби. 
 
Як і  зазначалося раніше, теплопровідність будь-якого конструкційного 
металу або сплаву значно вища порівняно з теплопровідністю полімерів, і 
різниці в коефіцієнті теплопровідності між різними металами не мають 
істотного впливу на ефективність установки. 
На рисунку 2.7 показано розрахунковий графік величини COP установки 
в залежності від динамічної в'язкості теплоносія. При цьому інші термічні 
опори також мінімізовані: швидкість течії 0,5 м/с, матеріал труб 
теплообмінника — мідь. Для отримання точок графіка змінювалися лише 
значення в'язкості рідини від в'язкості води при 5 °C в напрямку збільшення. 
46 
 
 
Рисунок 2.7 — Розрахункова залежність коефіцієнта перетворення ТНУ від 
динамічної в’язкості теплоносія 
Як видно, вплив в'язкості менш значний, ніж вплив теплопровідності 
матеріалу стінки, але також помітно знижує ефективність установки. 
Для наочного порівняння показників ефективності ТНУ при використанні 
розчинів хлориду кальцію та розчинів пропіленгліколю побудований 
наступний графік (рисунок 2.8). На ньому по осі абсцис храктеризується 
необхідна температура кристалізації теплоносія, а по осі ординат — 
розрахунковий COP установки при використанні розчинів у концентраціях, що 
відповідають даній температурі кристалізації. Теплофізичні властивості 
розчинів брались для температури 0 °C. Як і в попередньому випадку, 
оптимізація витрати теплоносія не проводилась, а розрахунки були проведені 
для одного значення витрати. 
47 
 
 
Рисунок 2.8 — Розрахункова залежність коефіцієнта перетворення ТНУ від 
мінімально допустимої температури застосування розчину-теплоносія. 
 
Отже, за результатами попередніх розрахунків були зроблені наступні 
висновки щодо матеріалів і попередньої конструкції теплообмінника, які 
будуть використані для побудови екперементальної ТНУ для найбільш повного 
використання переваг інтенсивного зовнішнього теплообміну в умовах 
водотоку: 
- бажано використовувати металеві теплообмінні труби, при чому сам вид 
металу не надто важливий для коефіцієнта перетворення ТНУ. 
- бажано застосовувати теплоносій з найменшою в'язкістю, наприклад, 
водний розчин хлориду кальцію з мінімальною необхідною концентрацією; 
- не доцільно розпаралелювати потік теплоносія на кілька труб-каналів 
замість послідовного проходження по трубах теплообмінника. 
 
2.4 Оптимізація теплообмінника для теплонасосної установки 
 
Розроблена розрахункова програма була застосована при проектуванні 
експериментальної ТНУ, яка використовує НПТ водотоку. Після вибору місця 
монтажу установки та уточнення характеристик теплового насоса, з’явилася 
певність у наступних вихідних даних для проведення оптимізації: 
48 
 
- максимальний відбираємий від водотоку тепловий потік (4 кВт) 
(визначається вибраним тепловим насосом/компресором); 
- розрахункова швидкість течії в передбачуваній зоні розміщення 
теплообмінника (0,14 м/с); 
- розрахункова температура водотоку (8 °C); 
- протяжність труб з’єднувального трубопроводу між теплообмінником у 
водотоку та тепловим насосом (дві труби по 35 м). 
Як теплоносій вибрано 22%-й розчин хлориду кальцію (температура 
замерзання -21 °C) з інгібіторами корозії — тетраборатом натрію (0,25%) та 
бензотриазолом (0,1%). Для досягнення більш низьких температур 
кристалізації більша концентрація не потрібна через мінімізацію довжини 
трубопроводів, що проходять через відкритий повітряний простір. У разі 
простою системи в таких ділянках розчин не кристалізується повністю, а 
утворює двофазну суміш, що не заважає відновити роботу установки. 
Беручи до уваги сильну замуленість і малу товщину шару рухомої води в 
обраному водотоці (зазвичай не більше 0,1 м), найбільш підходящою є плоска 
конфігурація трубної решітки теплообмінника, тобто плоский змійовик. 
Раніше, на основі попередніх розрахунків, було визначено, що з точки зору 
ефективності переважною є схема з нерозгалуженим (одноканальним) 
змійовиком. Радіус вигину труб змійовика визначається технологічними 
можливостями по згинанню труби і в даному випадку був прийнятий рівним 
62,5 мм. Для підземного трубопроводу була вибрана поліетиленова труба 
діаметром 40 мм (внутрішній діаметр 36 мм). Цей діаметр більше розглянутих 
діаметрів труб теплообмінника, і при максимальних можливих витратах 
теплоносія, які може забезпечити обраний циркуляційний насос, внесок 
гідравлічних втрат у трубопроводі виявляється незначним у порівнянні з 
загальними гідравлічними втратами в контурі, які в основному створюються 
трубами теплообмінника. Зважаючи на невисоку вартість поліетиленових труб 
і обраного теплоносія, вибір такого типорозміру не вимагає великих 
капітальних витрат. Вибір меншого діаметра призводить до помітного 
збільшення гідравлічних втрат у трубопроводі, а вибір більшого діаметра 
49 
 
призводить до необґрунтованого збільшення габаритів і обсягів теплоносія без 
значного зниження втрат. 
Таким чином, були визначені всі необхідні дані (рисунок 2.9) для 
проведення оптимізаційного розрахунку теплообмінника за допомогою 
розробленої розрахункової програми. 
 
Рисунок 2.9 ‒ Початкові дані для оптимізації теплообмінника за допомогою 
розрахункової програми. 
 
На представленому скріншоті вікна з вихідними даними для розрахунку 
задані наступні параметри: 
- У першому стовпці вказані властивості води та льоду (згори вниз: 
густина, теплоємність, коефіцієнт теплопровідності, кінематична в'язкість, 
число Прандтля води, середня швидкість течії, температура замерзання, 
розрахункова температура води у водотоці та теплопровідність льоду). 
- У другому стовпці задані параметри теплоносія (згори вниз: густина, 
залежна від вибраної концентрації, і середня температура теплоносія в контурі), 
а також сумарна довжина і внутрішній діаметр труб з'єднувального 
трубопроводу. 
- У третьому стовпці задані параметри теплообмінника (згори вниз: 
коефіцієнт теплопровідності та густина сталі, радіус вигину труб змійовика, 
50 
 
число паралельних каналів змійовика, число кроків задання довжини труби 
змійовика, початкове значення довжини та крок зміни). 
- У четвертому стовпці задано витрату теплоносія (число кроків задання 
витрати теплоносія, початкове значення витрати та крок зміни). 
На рисунку 2.10 наведено скріншот вікна з визначенням теплофізичних 
властивостей теплоносія. Табличні дані про теплофізичні властивості розчинів 
хлориду кальцію внесені в розрахункову програму у вигляді матриць. У 
кожному рядку матриць містяться властивості для розчину певної густини 
(концентрації) для трьох різних температур. Відповідно, у кожному стовпці 
внесені властивості при одній температурі для різних густин (концентрацій). 
Обчислення точних значень теплофізичних властивостей проводиться методом 
інтерполяції (або, у разі виходу за межі внесених даних, методом екстраполяції) 
залежно від заданої густини розчину та середньої температури теплоносія в 
контурі. 
 
Рисунок 2.10 ‒ Визначення теплофізичних властивостей теплоносія для заданих 
густини розчину та середньої температури. 
 
Далі в програму вводиться характеристика циркуляційного насоса. Це 
дозволяє отримати точніші результати оптимізації, враховуючи дані про насос 
і теплоносій. Характеристика насоса задається як функція залежності напору 
51 
 
від витрати H(G) при повній потужності. Також вводяться значення споживаної 
електричної потужності та КПД насоса залежно від напору і потужності, що 
задається в долях від номінальної. Графіки залежності КПД від витрати при 
різних напругах приведені на рисунку 2.11. 
 
Рисунок 2.11 ‒ Графіки отриманої залежності КПД циркуляційного насоса від витрати 
при номінальному та мінімальному робочому напрузі живлення. 
 
В результаті розрахунків була отримана багатовимірна матриця з 
параметрами, що характеризують роботу установки для всіх комбінацій 
змінних: довжина труб змійовика L, діаметр труб D та витрата теплоносія G. 
Для оптимізації використовується лише коефіцієнт перетворення COP 
установки. Далі проводиться оптимізація COP по витраті теплоносія для кожної 
комбінації D та L, збереженням параметрів найбільш ефективного режиму в 
52 
 
новому масиві.  Графік залежності COP від витрати теплоносія для одного 
діаметра труб показаний на рисунку 2.12. 
  
Рисунок 2.12 ‒ Залежність COP установки від витрати теплоносія для різних значень 
довжин труб змійовика для номінального діаметра труби Ду15 з позначенням точок 
максимуму залежностей. 
 
Видно, що для кожного варіанту довжини труб змійовика існує значення 
витрати теплоносія, яке відповідає максимуму ефективності. Точки максимумів 
з'єднані товстою лінією. Параметри для цих точок зберігаються в новому 
масиві. 
 Збільшення розмірів теплообмінника за рахунок збільшення діаметра 
труб призводить до збільшення ефективності установки. Однак зростання 
ефективності при збільшенні розмірів не є нескінченним, і коефіцієнт 
перетворення може лише наближатися до деякого граничного значення COP, 
яке визначається ефективністю інших елементів системи. На рисунку 2.13 
показано залежність COP від маси змійовика для різних діаметрів труб. 
53 
 
 
Рисунок 2.13 ‒ Графіки залежностей COP від маси змійовика для різних діаметрів 
труб. 
 
Згідно з отриманим результатом і з метою економії для виготовлення 
змійовика були вибрані стандартні металеві труби номінальним діаметром 
Ду15 (внутрішній діаметр 15,5 мм, зовнішній діаметр 21,5 мм). 
Проектована експериментальна установка опалення передбачає 
використання ТН змінної потужності. Оптимізаційний розрахунок проводився 
для режиму потужності, на якому, як очікується, ТН буде працювати найбільше 
часу протягом опалювального сезону (1/3 від повної потужності). З'явилася 
потреба порівняти результати розрахунків для інших потужностей (2/3 від 
повної і повна потужність). Для цього за допомогою тієї ж розрахункової 
програми були проведені розрахунки залежності COP від довжини труб 
змійовика для інших режимів і для вибраного діаметра труб, а потім отримані 
значення були поділені на величину максимально досяжного в кожному 
випадку COP. Це дозволило порівняти всі три залежності на одному графіку 
(рисунок 2.14). Таким чином, на даному графіку приведені залежності 
відношення COP при різній довжині змійовика до максимального 
54 
 
розрахункового значення COP для конкретного режиму роботи (при 
оптимальній з точки зору ефективності довжині змійовика) від довжини 
змійовика для трьох режимів роботи. 
 
Рисунок 2.14 ‒ Залежності відношень COP/COPMAX від довжини труб змійовика для 
різних режимів роботи. 
 
Як видно з цього графіка, для всіх трьох розглянутих режимів роботи 
максимальна ефективність (точка COP/COPMAX = 1) досягається при приблизно 
одній довжині труб змійовика (35 м, точне значення може трохи відрізнятися 
через дискретність ряду значень, для яких проводився розрахунок). На основі 
результатів проведеної оптимізації, а також з урахуванням планів проведення 
досліджень роботи установки при різних розмірах теплообмінника і можливості 
подальшого збільшення навантаження на теплообмінник, для 
експериментальної установки було вирішено зробити теплообмінник з 
трисекційним змійовиком з можливістю задіяння 1/3 повної довжини (15 м), 2/3 
(30 м) та повної довжини змійовика (45 м). 
55 
 
Також були визначені оптимальні значення витрати теплоносія для трьох 
режимів потужності установки. На рисунку 2.15 наведені графіки залежностей 
розрахункових значень COP установки від витрати теплоносія для трьох 
режимів потужності та позначені точки максимумів. Максимально досяжне за 
допомогою обраного циркуляційного насоса значення витрати теплоносія 
позначено вертикальною пунктирною лінією, що обмежує графіки.  
 
Рисунок 2.15 ‒ Залежність розрахункових значень COP установки від витрати 
теплоносія для трьох режимів роботи 
 
З графіків видно, що значення оптимального витрату для різних режимів 
роботи близькі, і в розглядуваному випадку з точки зору ефективності немає 
необхідності організовувати регулювання продуктивності циркуляційного 
насоса залежно від режиму роботи. Достатньо налаштувати насос на 
підтримання витрат теплоносія в діапазоні 0,18..0,2 кг/с. 
  
56 
 
2.5 Вироблені конструктивні рішення 
 
Згідно з запропонованою концепцією використання течії для 
інтенсифікації теплообміну та на основі проведених розрахунків було 
можливим розробити конкретні конструктивні рішення для теплообмінника для 
відбору НПТ від водотоку. Оскільки результати оптимальних розмірів 
теплообмінника для потоку води показали компактність запропонованої схеми, 
то для експериментальної установки максимальний COP досягається при 
використанні 8,75 м труб номінального діаметра Ду15 на 1 кВт розрахункового 
відбираємого теплового потоку. Водночас, для колекторів з пластикових труб у 
водних та грунтових колекторах, розміщених у донних відкладеннях та вологих 
ґрунтах, у літературі часто можна знайти максимальне значення 
рекомендованого теплозабору з метра труби, яке становить 30 Вт, що відповідає 
33,3 м труб на 1 кВт розрахункового відбираємого теплового потоку. 
 
Рисунок 2.16 ‒ Конструкція плавучого теплообмінника з плоским змійовиком.  
1 – рама, 2 – змійовик, 3 – поплавки, 4 – вантажі-якорі, 5 – троси. 
57 
 
 
Основною відмінною особливістю запропонованої конструкцій є її 
плавучість завдяки наявності поплавків, рис. 2.16. Відомо, що швидкість течії 
води в відкритому руслі досягає максимальних значень біля поверхні, а в разі 
наявності льодового покриву зона найбільшої швидкості течії переміщується 
вглиб, ближче до середини потоку [28]. Завдяки поплавкам, а також тросам і 
вантажам-якорям, теплообмінник можна розмістити та утримувати в зоні 
найбільшої швидкості течії, що відповідає найкращому теплообміну (рисунок 
2.17).  
 
Рисунок 2.17 ‒ Приклад розміщення теплообмінника в руслі водотоку:   
1 – теплообмінник,  2 – вантажі-якоря, 3 – троси,  4 – гнучкі з’єднувальні шланги. 
 
При використанні теплообмінника в умовах замерзаючого водотоку на 
період наявності льодового покриву його можна підтягувати тросами ближче 
до дна (рисунок 2.18 б), а в інший час утримувати на поверхні водотоку 
(рисунок 2.18 а), таким чином змійовик буде знаходитися в зонах найбільшої 
швидкості течії і не опиниться замерзлим у льоді. При цьому навіть суттєве 
зменшення рівня води в руслі не призведе до осушення труб змійовика, 
оскільки теплообмінник почне опускатися слідом за рівнем води. 
58 
 
 
Рисунок 2.18 ‒ Приклади розміщення теплообмінника в водотоку в залежності від 
умов:   
а) чисте русло;  б) наявність льодового покрову;  в) замулене русло;  г) наявність 
донного мулу та льодового покрову. 
  
59 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Розділ 3 Виготовлення експериментальної насосної  
установки 
 
 
  
МКР 24.144.98 ПЗ 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 Розроб. Приймак Д.Д.  Літ. Арк. Акрушів 
 Перевір. Беспалько С.А.. 
Виготовлення експериментальної   
 Реценз.  насосної  установки 
 Н. Контр.  60 ЧДТУ, мТЕ-35 
 Затверд . Калейніков Г.Є. 
Розділ 3 Виготовлення експериментальної насосної  
установки 
3.1 Опис теплонасосної установки 
 
На основі запропонованих рішень та з використанням складеної 
розрахункової програми була розроблена експериментальна тепловий насос 
типу вода-повітря, що забезпечує опалення та кондиціонування для невеликого 
приватного будинку в Черкаській області. Установка дозволила випробувати 
ряд рішень, провести експерименти для виявлення залежностей ефективності 
роботи від різних факторів, перевірити та покращити розрахункову програму. 
Джерелом НПТ був обраний водотік річки, на якому встановлений 
плавучий теплообмінник вода-розсіл з механізмом його підйому з води. 
Тепловий насос встановлений безпосередньо в будинку, який знаходиться в 35 
метрах від русла. Для виготовлення теплового насоса були використані 
елементи серійно випущеного кондиціонера (спліт-система повітря-повітря). 
Максимальна теплопотужність установки становить 6 кВт, чого 
достатньо для підтримання комфортної температури в опалювальному 
одноповерховому будинку з площею 60 м² при температурі зовнішнього 
повітря до -20 °C. Максимальна споживана електрична потужність складає 2,25 
кВт. Схема установки наведена на рисунку 3.1. 
Теплоносій низькотемпературного контуру (водний розчин хлориду 
кальцію з додаванням інгібіторів корозії) прокачується через занурений у воду 
плавучий теплообмінник з сталевих труб 3 і, відбираючи теплоту у води в руслі, 
нагрівається на кілька градусів. Далі теплоносій повертається по підземному 
утепленому трубопроводу 4 до зовнішнього блоку 1 теплового насоса, який 
розміщується в цоколі будинку, і в теплообміннику 7 розсіл-фреон віддає 
теплоту фреону у випарнику. Пройшовши стиснення в компресорі 5, фреон 
направляється по магістралі 6 до внутрішнього блоку 2 теплового насоса, де в 
теплообміннику фреон-повітря конденсується і нагріває повітря в приміщенні. 
61 
 
В якості внутрішнього блоку теплового насоса використано внутрішній блок 
побутового кондиціонера. 
 
 
Рисунок 3.1 – Принципова схема експериментальної установки: 
1 – зовнішній блок ТН; 2 – внутрішній блок ТН; 3 – теплообмінник вода-розсіл; 4 – 
утеплений підземний трубопровід; 5 – кессон; 6 – фреонопровід; 7 – компресор ТН; 8 – 
теплообмінник розсіл-фреон. 
 
3.2 Виготовлення теплообмінника та організація 
низькотемпературного контуру для теплового 
 
Плавучий теплообмінник для експериментальної установки в цілому 
відповідає описаный вище конструкції, за винятком деяких відмінностей. 
Оскільки обрана річка  не промерзає на велику глубину, немає необхідності 
занурювати весь теплообмінник під воду. Для зміни глибини занурення 
змійовика було вирішено прикріпити його до несучої рами на регульованих по 
висоті опорах. Регульовані опори також дозволяють розташовувати змійовик у 
воді під кутом до горизонтальної площини. Для утримання теплообмінника на 
місці в руслі достатньо зачеплення за натягнутий поперек русла трос, для чого 
на кінці поплавків передбачені вушка. Крім того, для проведення експериментів 
з різною довжиною труб змійовика передбачені байпаси, які дозволяють при 
62 
 
необхідності використовувати весь змійовик, або лише одну, або дві третини 
його довжини. 
Зображення CAD-моделі спроектованого для експериментальної теплової 
насосної установки плавучого теплообмінника представлені на рисунку 3.2. 
 
Рисунок 3.2 ‒ Спроектований плавучий теплообмінник (CAD-модель). 
 
Теплообмінник складається з несучої сталевої прямокутної рами, що 
спирається на два поплавки, і змійовика, підвішеного між поплавками. 
Поплавки виготовлені з екструзійного пінополістиролу (рисунок 3.4), їх розмір 
був попередньо розрахований на основі розрахункової маси теплообмінника і 
сили витіснення. Для зручності обслуговування теплообмінник також був 
оснащений механізмом підйому з води за допомогою тросів (малюнки 3.3). 
 
Рисунок 3.3 — Теплообмінник у підвішеному над водою стані. 
63 
 
 
Підведення та відведення теплоносія здійснюється через двошарові 
армовані гумові шланги. У робочому положенні змійовик занурюється у воду 
на глибину хоча б кілька сантиметрів (рисунок 3.4), але завдяки регулюванню 
можливе занурення на глибину понад 0,5 м, що відповідає максимально 
можливому зануренню в донні відкладення на даній ділянці русла. 
 
Рисунок 3.4 ‒ Теплообмінник у зануреному положенні. 
 
Підземний трубопровід між водотоком і будинком, довжиною близько 35 
м, прокладений на невеликій глибині. Оскільки температура ґрунту під 
сніговим покривом взимку опускається незначно нижче 0 °C, труби 
теплоізольовані, а температура теплоносія наближена до 0 °C, теплові втрати 
цього трубопроводу є незначними, тому немає необхідності вкласти труби на 
більшу глибину. 
У найнижчій точці підземного трубопроводу біля річки встановлений 
невеликий колодязь через який здійснюється доступ до трубопроводу для 
заповнення/спорожнення контуру теплоносія. Крім того, в ньому розташована 
розподільна коробка для кабелів температурних датчиків, а також деякі інші  
комунікації. 
Циркуляція теплоносія низькотемпературного контуру забезпечується 
регульованим безколекторним електронасосом з напругою живлення 24В  
64 
 
потужністю 86,4 Вт. Насос має герметичне виконання з пластиковим корпусом 
і робочим колесом. Вісь і підшипник ковзання ротора керамічні. Таким чином, 
у робочому об'ємі насоса відсутні металеві деталі, які могли б піддаватися 
корозії, а заявлений виробником ресурс роботи насоса складає не менше 30000 
годин. 
 
3.3 Виготовлення компресорного блоку теплового насоса 
 
Для виготовлення компресорного блоку був взятий зовнішній блок 
кондиціонера (спліт-системи) інверторного типу (з частотно-регульованим 
компресором) Panasonic. Для цього його повітряний теплообмінник (повітря-
фреон) був перероблений у теплообмінник теплоносій-фреон шляхом 
розміщення його в бак з патрубками для входу та виходу теплоносія (рисунок 
3.5). Початкове алюмінієве ребрування мідних труб теплообмінника забезпечує 
високий коефіцієнт теплопередачі між теплоносієм і фреоном. 
 
Рисунок 3.5 ‒ Зібраний теплообмінник теплоносій-фреон у складі компресорного блоку. 
65 
 
 
На рисунку 3.6 показані основні складові елементи фреонової системи, 
що входять до складу компресорного блоку. 
 
Рисунок 3.6 ‒ Фреонова система компресорного блоку. 
 
У компресорному блоці, окрім теплообмінника теплоносій-фреон та 
елементів фреонової системи, встановлені елементи низькотемпературного 
контуру: циркуляційний насос, датчик витрати, буферна ємність, автоматичний 
повітровідвідник. 
  
66 
 
3.4 Підсумки по розділу 
 
Згідно з запропонованими технічними рішеннями та із застосуванням 
розробленої розрахункової програми була спроектована та виготовлена теплова 
насосна установка для опалення житлового будинку, що використовує 
низькопотенціальну теплоту відкритого водоєму з течією. До відмінних 
особливостей та рішень, застосованих у цій системі, можна віднести такі: 
– використання розробленого плавучого теплообмінника з металевою 
теплообмінною поверхнею для відбору тепла від водотоку; 
– використання в якості теплоносія низькотемпературного контуру 
розчину хлориду кальцію; 
– використання в тепловому насосі частотно-регульованого компресора 
(тепловий насос інверторного типу); 
– використання регульованого циркуляційного насоса 
низькотемпературного контуру (насос з низьковольтним безколекторним 
двигуном постійного струму); 
– безпосереднє нагрівання внутрішнього повітря в теплообміннику-
конденсаторі теплового насоса без застосування проміжних контурів та 
замкнена вентиляційна система будинку. 
– можливість підключення до системи додаткових джерел НПТ з метою 
підвищення ефективності роботи та забезпечення безперебійної роботи системи 
в різних умовах. 
Установка, маючи перелічені особливості, з одного боку, дозволяє на 
практиці оцінити переваги та недоліки таких рішень, з іншого боку, виступає як 
демонстраційна модель, яка має на меті сприяти більш широкому 
впровадженню частини рішень у тих випадках, коли це зручніше і вигідніше, 
ніж застосування більш традиційних схем. Наприклад, використання в системі 
стандартного внутрішнього блоку від кондиціонера для безпосереднього 
обігріву внутрішнього повітря замість організації теплих підлог або контуру з 
радіаторами, по-перше, значно зменшує капітальні вкладення в систему, по-
67 
 
друге, дозволяє легко обладнати такою системою вже побудовані будинки, 
особливо ті, в яких спочатку не були передбачені теплі підлоги.  
Використання частотно-регульованого компресора має такі переваги: 
– в поєднанні з повітряним обігрівом дозволяє точно підтримувати 
встановлену температуру в приміщенні без регулярних пусків/зупинок 
компресора; 
– дозволяє досягти більш високого коефіцієнта перетворення теплового 
насоса, ніж з нерегульованим компресором, і, відповідно, зменшити 
споживання електроенергії; 
– дозволяє використовувати систему в умовах низької якості 
електропостачання, оскільки в цьому випадку відсутні підвищені пускові 
струми, а основну частину часу система працює в режимі малої потужності, 
також збільшується діапазон допустимих вхідних напруг. 
  
68 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Розділ 4 Охорона праці… 
  
МКР 24.144.98 ПЗ 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 Розроб. Приймак Д.Д.  Літ. Арк. Акрушів 
 Перевір. Беспалько С.А.. 
Виготовлення експериментальної   
 Реценз.  насосної  установки 
 Н. Контр.  69 ЧДТУ, мТЕ-35 
 Затверд . Калейніков Г.Є. 
Розділ 4 Охорона праці 
 
4.1 Значення охорони праці в теплотехнічних установках 
Охорона праці є однією з найважливіших складових при проектуванні та 
експлуатації будь-якого обладнання, зокрема теплотехнічних установок, таких 
як теплові насоси. Вона спрямована на запобігання нещасним випадкам та 
забезпечення безпечних умов праці для усіх працівників, які займаються 
монтажем, обслуговуванням та ремонтом теплотехнічного обладнання. 
Важливою метою є також попередження можливих аварій та зменшення 
ризиків для навколишнього середовища. 
Проектування та монтаж теплових насосів вимагають ретельного 
дотримання стандартів безпеки, особливо у зв’язку з роботою з високим 
потенціалом небезпеки, таким як електричні установки, рідкі теплоносії, а 
також роботи у вологих і потенційно небезпечних умовах біля води. При цьому 
важливою складовою є також правильне технічне обслуговування обладнання, 
яке забезпечить його безпечну і ефективну експлуатацію. 
Технічна безпека на кожному етапі життєвого циклу установки, 
починаючи з проектування та закінчуючи її експлуатацією, є основою для 
збереження здоров'я і життя. Важливо постійно дотримуватися та 
вдосконалювати ці заходи в залежності від розвитку технологій та вимог 
законодавства…. 
Основні принципи забезпечення безпеки: 
• Заборону виконання робіт без належної підготовки і навчання. 
• Постійний моніторинг стану обладнання та встановлення засобів 
захисту. 
• Використання сертифікованих інструментів і матеріалів, що 
відповідають вимогам безпеки. 
• дотримання правил для роботи в небезпечних умовах, таких як 
робота з електричним обладнанням чи з рідинами, що мають 
шкідливі властивості. 
70 
 
• Використання засобів індивідуального захисту (ЗІЗ), такими як 
рукавички, окуляри, каски тощо. 
Вимоги електробезпеки 
Електробезпека є однією з основних складових загальної безпеки при 
експлуатації теплообмінників, особливо коли вони працюють в умовах змінних 
температур і впливу води. Для забезпечення належного рівня безпеки необхідно 
дотримуватися вимог, установлених державними стандартами та 
нормативними актами, зокрема Правилами улаштування електроустановок 
(ПУЕ) та іншими нормативними документами. 
 
4.2 Основні вимоги електробезпеки 
Заземлення та захист від електричних ударів 
Заземлення електричних установок є одним з основних заходів для 
забезпечення безпеки при експлуатації електричних приладів. Всі електричні 
установки повинні бути оснащені надійною системою заземлення. Згідно з ПУЕ 
(Правила улаштування електроустановок, 2018), заземлення здійснюється для 
зниження ризику ураження електричним струмом у разі короткого замикання 
чи інших аварійних ситуацій. 
Встановлені вимоги до ізоляції проводів: ізоляція повинна відповідати 
всім стандартам безпеки для запобігання витоку струму або контакту людини 
із струмопровідними частинами. Вимоги до ізоляції детально описані в ГОСТ 
12.1.030-81 "Системи заземлення електричних установок". 
Заходи для захист від короткого замикання та перевантаження 
передбачені стандартами ДСТУ 3.0.1-95 "Електрична безпека". Всі електричні 
установки повинні бути оснащені автоматичними пристроями захисту від 
короткого замикання і перевантажень. Для цього використовуються 
автоматичні вимикачі, плавкі запобіжники та інші засоби, що забезпечують 
своєчасне відключення електричних ланцюгів у разі перевищення допустимого 
струму. 
Для виконання робіт з електричними установками необхідно забезпечити 
кваліфікацію працівників, що підтверджується відповідними сертифікатами. 
71 
 
Працівники повинні пройти навчання з електробезпеки, а також знати основи 
надання першої допомоги при ураженні електричним струмом. Вимоги до 
навчання регулюються відповідними стандартами, зокрема згідно ГОСТ 
12.1.030-81 "Системи заземлення електричних установок". 
Для запобігання аварійним ситуаціям проводиться регулярний контроль 
за станом електричних установок. Це включає перевірку наявності пошкоджень 
кабелів, стану заземлення, перевірку роботи захисних пристроїв. Технічне 
обслуговування має проводитися відповідно до інструкцій, розроблених на 
основі стандартів ПУЕ та ДСТУ 3.0.1-95. 
 
4.3 Пожежна безпека 
Забезпечення пожежної безпеки є важливим аспектом при експлуатації 
теплових насосів і установок для відбору низькопотенційної теплоти. Зокрема, 
це включає правильний вибір матеріалів, організацію ефективного 
теплообміну, використання протипожежних систем і дотримання вимог 
нормативних актів, таких як ДСТУ, ПУЕ та ДБН, що значно знижує ризик 
виникнення пожежі в установках. 
Всі електричні кабелі та проводи повинні бути виготовлені з матеріалів, 
що не горять, або мати захисне покриття, яке запобігає виникненню загорянь 
при аварійних ситуаціях. Відповідно до ДБН В.2.5-23:2010 "Електричні 
установки будинків і споруд", необхідно забезпечити належне розміщення 
кабелів, що мінімізує ризики їх пошкодження або перегріву. 
Відповідно до ДСТУ EN 60332-1-2:2011 "Кабелі електричні. 
Випробування на здатність до горіння", кабелі повинні бути виготовлені з 
матеріалів, що зменшують ризик загоряння в разі механічних пошкоджень або 
перевантажень. 
Важливо здійснювати регулярний контроль за температурним режимом 
електричних компонентів. Встановлення автоматичних термозахисних 
пристроїв, таких як автоматичні вимикачі та термозахисти, є необхідною 
умовою для запобігання перегріву та займанню матеріалів, що знаходяться 
поруч з електричними компонентами. 
72 
 
Всі електричні установки повинні розміщуватись в спеціально 
відведених, добре вентильованих приміщеннях, де виключена ймовірність 
перегріву компонентів. Відповідно до ДБН В.2.5-23:2010 "Електричні 
установки будинків і споруд". 
  
4.4 Безпека при роботі біля води 
При роботі біля води важливо враховувати ризики, пов'язані з 
утопленням, ожеледицею, а також небезпеку від руху води і можливих 
природних катастроф. Згідно з ДСТУ 4507:2005 "Безпека праці при виконанні 
робіт на водних об'єктах", робітники повинні бути забезпечені рятувальними 
засобами, а також мати відповідні знання для надання першої допомоги при 
нещасних випадках. 
Під час виконання робіт на воді потрібно враховувати можливість 
потоплення працівників або важкого обладнання. Тому повинні бути 
передбачені спеціальні засоби для підйому обладнання з води, а також доступ 
до плавальних засобів для евакуації. 
Згідно з НПАОП 0.00-6.01-98 "Правила охорони праці під час роботи на 
водних об'єктах", необхідно дотримуватись таких вимог: 
• Використовувати захисне спорядження, включаючи рятувальні жилети. 
• Робітники повинні бути проінструктовані з правил безпеки і пройти 
навчання з надання першої допомоги. 
• Установки і роботи біля води мають бути обладнані аварійними виходами 
та шляхами евакуації. 
• Всі об'єкти і території повинні бути огороджені і марковані з урахуванням 
можливих підводних небезпек (наприклад, виступаючі об'єкти, канали). 
 
4.5 Вимоги до безпеки при роботі з рідинами 
Одним з важливих аспектів безпеки є робота з теплоносіями, що 
використовуються в системах теплопостачання. Важливо дотримуватись вимог 
безпеки, що стосуються роботи з хімічними речовинами що використовуються 
в якості теплоносіїв, такими як розчини хлористого кальцію. Ці рідини повинні 
73 
 
оброблятися відповідно до інструкцій з безпеки, щоб уникнути забруднення 
води або пошкодження обладнання через корозію.  
ДСТУ 3632:2017 - "Теплоносії. Технічні вимоги до теплоносіїв для 
теплотехнічних систем". Описує всі вимоги до цих розчинів. Тож зберігання 
рідин повинно здійснюватися в спеціальних ємностях з маркуванням, що вказує 
на склад і властивості рідини, а також рекомендації з безпеки. Всі резервуари 
та труби повинні бути герметичними для уникнення витоків та забруднення 
навколишнього середовища. 
При роботі з рідинами струмопровідні частини обладнання повинні бути 
надійно заземлені, особливо в умовах, коли рідини можуть бути 
електропровідними або мати високий рівень вологи, що збільшує ризик 
ураження електричним струмом. 
При роботі з теплоносіями (гликолі, розчини хлористого кальцію) 
потрібно дотримуватися заходів безпеки пов’язаних з їх трансопортуванням, 
зберіганням та утилізацією. 
Гликолі (етиленгліколь, пропіленгліколь) часто використовуються як 
теплоносії в системах опалення та кондиціонування. Етиленгліколь є 
токсичним, і при його витоках чи контакті з шкірою можуть виникати серйозні 
захворювання. Пропіленгліколь є менш токсичним і безпечнішим у порівнянні 
з етиленгліколем, але також вимагає обережності. 
При роботі з рідкими розчинами хлористого кальцію (як теплоносієм) 
слід дотримуватись таких вимог: 
Робітники повинні бути забезпечені засобами індивідуального захисту 
(рукавички, захисні окуляри, спецодяг), оскільки хлористий кальцій може 
викликати подразнення шкіри та очей. 
Зберігання та транспортування рідини повинно здійснюватися в 
герметичних ємностях, щоб запобігти витокам і забрудненню навколишнього 
середовища. 
 
4.6 Забезпечення безпеки під час монтажу, обслуговування та 
експлуатації 
74 
 
 
Забезпечення безпеки під час монтажу, обслуговування та експлуатації 
теплових насосних установок має важливе значення для запобігання нещасним 
випадкам. Дотримання вимог охорони праці та техніки безпеки дозволяє 
забезпечити ефективну та безпечну роботу теплотехнічних систем, мінімізуючи 
ризики для життя і здоров’я людей. 
Монтажні роботи повинні виконуватись у спеціально обладнаних 
приміщеннях або на майданчиках, що відповідають вимогам ДБН В.2.5-20:2018 
(Охорона праці в будівництві) і ПУЕ (Правила улаштування електроустановок). 
Простір має бути добре освітлений, очищений від сторонніх предметів, щоб 
забезпечити вільний доступ до компонентів установки.  
Згідно з ДСТУ EN 378-1:2017, що регулює безпеку і екологічні вимоги до 
холодильних систем, при заправці системи фреоном потрібно забезпечити 
герметичність всіх з’єднань та використовувати лише сертифіковані 
інструменти 
Під час монтажу механічних компонентів, таких як компресори, 
теплообмінники, троси для піднімання теплообмінників, необхідно 
переконатися, що всі кріплення надійно закріплені, щоб уникнути випадкових 
пошкоджень або травм. Використовуване обладнання повинно відповідати 
стандартам і бути перевірене перед монтажем. 
Відповідно до Правилами охорони праці під час виконання робіт з 
використанням холодильних агентів, слід застосовувати системи з 
автоматичним контролем рівня та тиску фреону для запобігання витоків. 
Крім того, під час обслуговування теплових насосів важливо регулярно 
перевіряти систему на герметичність, застосовуючи детектори витоків фреону. 
У разі витоку слід негайно вжити заходів для евакуації людей з небезпечної 
зони, оскільки фреони можуть викликати асфіксію або бути токсичними, що 
також зазначено в ДСТУ EN 378-3:2017. Якщо потрібно провести ремонт або 
замінити компоненти, що містять фреон, необхідно звертатися до 
кваліфікованих спеціалістів. 
75 
 
Для безпечної експлуатації установки необхідно регулярно перевіряти її 
робочі параметри, зокрема температуру теплоносія, тиск у системі, стан 
компресора і циркуляційного насоса. 
У разі виявлення будь-яких порушень у роботі установки, необхідно 
негайно зупинити експлуатацію та провести ремонт. 
  
76 
 
Висновки 
 
Розробка та виготовлення теплонасосної установки показало доцільність 
застосування для опалення приватного будинку теплової насосної системи з 
використанням низькопотенціального тепла відкритої водойми. Розроблений і 
побудований теплообмінник показав відмінні результати. При цьому 
оптимізація параметрів теплообмінника за допомогою розробленої 
розрахункової програми дозволяє організовувати системи, що 
характеризуються високими зарактеристиками. 
В підсумку, за результатами виконаної роботи можна зауважити: 
1. Розроблена, виготовлена та випробувана в роботі теплова насосна 
система, забезпечує теплопостачання житлового будинку з 
використанням низькопотенційного тепла відкритої водойми. 
2. Розроблена методика розрахунку та оптимізації низькотемпературного 
контуру ТНУ. Методика реалізована у вигляді програми-розрахунку в 
середовищі MathCAD, яка дозволяє проектувати оптимальні 
занурювальні теплообмінники для водної течії та в цілому 
низькотемпературні контури ТНУ, що містять такі теплообмінники. 
Зокрема, методика дозволяє розраховувати оптимальний розхід 
теплоносія в контурі. 
3. Конструкція теплообмінника із змійовиком з металевих труб для відбору 
тепла від водної течії, разом з використанням теплоносія 
запропонованого складу дозволяє в повній мірі використовувати переваги 
рухомого водної середовища, спрощує та здешевлює організацію контуру 
відбору НПТ. 
4. Виготовлена теплонасосна система опалення житлового будинку з 
використанням низькопотенційного теплота водної течії. Розраховане для 
цієї системи теплове навантаження 4 кВт. Оптимальне значення довжини 
металевих труб теплообмінника запропонованої конструкції склало 16,9 
м, тоді як при організації відбору тепла за традиційною схемою для 
77 
 
досягнення таких самих показників знадобилося б близько 370 м 
пластикових труб. 
Використання теплових насосів є важливим кроком до зменшення 
енергетичних витрат та зниження навантаження на екологію. Ці системи здатні 
ефективно використовувати низькопотенційне тепло з навколишнього 
середовища, наприклад, з води, ґрунту чи повітря, що дозволяє значно 
знижувати споживання традиційних енергоресурсів, таких як газ чи електрична 
енергія. Теплові насоси працюють за принципом перенесення тепла з 
холоднішого середовища в тепліше, що забезпечує високу енергоефективність. 
Вони здатні виробляти більше тепла, ніж споживають енергії, що дозволяє 
суттєво знижувати витрати на опалення та охолодження. Крім того, це сприяє 
скороченню викидів парникових газів та забруднення атмосфери, що позитивно 
впливає на навколишнє середовище. 
Універсальність теплових насосів, їх здатність працювати в різних 
кліматичних умовах та економічність, робить їх важливим інструментом у 
розвитку сталого енергетичного забезпечення та збереженні природних 
ресурсів. 
Наша мета зробити процес відбору та переносу тепла ще ефективнішим, 
тим самим ще більше економити традиційні енергоресурси. Це особливо 
актуально у сучасних реаліях енергетичних умов та політично економічної 
обстановки в Україні. 
  
78 
 
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 
1. Мельничук О., Литвин Ю. Теплотехніка: теорія і практичні аспекти. – К.: 
Техніка, 2016. 
2. Іванченко С. В. Теплові насоси. Принцип роботи та застосування: 
Навчальний посібник. – К.: Наукова думка, 2014. – 198 с. 
3. Zhou Ch., Yao Y., Ni L. Development of heat transfer correlations for multi-
row helically coiled tube heat exchangers used in surface water heat pump 
systems // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2020. – № 163. 
4. Cengel Y. A., Boles M. A. Thermodynamics: An Engineering Approach. – 8th 
Edition. – New York: McGraw-Hill, 2015. 
5. Ковальчук А., Кудрявцев В. Теплотехніка та енергоефективні технології. 
– К.: Техніка, 2018. – С. 58–63. 
6. Захарченко А. С., Чернявська Н. Е. Енергозбереження та альтернативні 
джерела енергії в Україні. – К.: Прометей, 2019. – С. 84–90. 
7. Енергетика України [Щорічне видання]. – К.: Енергетичне видання, 2010–
2024. 
8. Яковенко І., Іванченко В. Альтернативні джерела енергії: теоретичні 
основи та практичні застосування. – К.: Економіка, 2018. – С. 87–91. 
9. European Heat Pump Association (EHPA). Annual reports. – [Electronic 
resource]. – URL: www.ehpa.org. 
10. Zheng W. et al. The thermal performance of seawater-source heat pump 
systems in areas of severe cold during winter // Energy Conversion and 
Management. – 2015. – № 90. – P. 166–174. 
11. Case Study – Restoration of an Old Watermill [Electronic resource]. – URL: 
http://www.kensaengineering.com. 
12. Heat Pump Systems and Pond Loops [Electronic resource]. – URL: 
https://en.wikipedia.org/wiki/File:Pond_Loop_Being_Sunk.jpg. 
13. Geothermal Heat Pump Types [Electronic resource]. – URL: 
https://www.baystar.co.uk/heat-pumps/. 
14. Water Heat Exchanger Solutions [Electronic resource]. – URL: 
http://www.frank-gmbh.de/de/Produktgruppen/Geothermie/. 
15. LIMA 1 Technology Brochure [Electronic resource]. – URL: 
http://www.technicalsolution.rs/pdf/zastupanje/Frank/LIMA%201%20brosura
.pdf. 
79 
 
16. Геник М. О., Сорока В. В., Харьков В. М. Теплообмінні процеси в 
теплотехнічних системах: навч. посібник. – Київ: Вид-во НТУУ "КПІ", 
2006. 
17. Козюра В. С., Тищенко М. І. Теплотехніка: теорія, розрахунок і 
проектування систем теплообміну. – К.: Академія, 2003. 
18. Остромишенко О. О., Дудка Л. Г., Коваленко А. В. Гідрометрія та 
гідрологія: підручник. – Київ: Вища школа, 2008. 
19. Савицький Ю. В. Пожежна безпека в теплотехнічних установах. – Харків: 
ХНТУ, 2009. 
20. Писаренко М. А., Васильєв В. В. Охорона праці на водних об'єктах. – 
Київ: Вища школа, 2007. 
21. Ребров В. В. Безпека праці при роботі з рідинами та хімічними 
речовинами. – К.: Техніка, 2012. 
22. Правила улаштування електроустановок (ПУЕ). – Київ: Міненерговугілля 
України, 2017. 
23. ДБН В.2.5-24:2018. Системи теплопостачання. Проектування теплових 
мереж. – К.: Мінрегіонбуд України, 2018. 
 
80
ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
