Тепловые насосы
Начиная строительство дома, мы мечтаем убежать из шумных перенаселенных городов, кишащих автотранспортом и предприятиями всевозможного размера, гордо устремившими свои трубы в небо, цвет которого из-за дыма различных оттенков определить порой невозможно. О чем думаем мы, когда приходит время озадачиться способом отопления своего жилища? Парадокс – мы задумываемся о том, какую трубу надо воткнуть в небо нам, чтобы в новом доме было тепло и уютно. Какого цвета должен быть дым, чтобы нам согреться? Черным от угля, или белым от газа или сгораемых в печи дров? А может, трубы над домом не будет? Может, отопление будет электрическим? Значит, «экологически чистым»? Нет, даже в этом случае коптящая труба будет. Пусть не над нашим домом, но где-то неподалеку – на ближайшей электростанции. Каждый потраченный нами на отопление киловатт-час, так или иначе, но «аукнется» природе.
Решение есть. Причем, настолько простое и старое, что его уже можно назвать древним. Это разработанная в 1852 г. Уильям Томсоном концепция тепловых насосов. А в 1855 был спроектирован и установлен первый тепловой насос.
Работа теплового насоса схожа с работой обычного холодильника, разница в том, что тепловой насос работает на обогрев, используя низкопотенциальное тепло окружающего воздуха, грунта или водоема. На каждый затраченный киловатт электрической энергии тепловой насос способен выработать до 3-7 киловатт тепловой энергии, которую можно использовать для отопления или горячего водоснабжения.
Тепловой насос — устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой. Другими словами, тепловой насос - современный источник энергии, используемой для работы систем кондиционирования, отопления, горячего водоснабжения. В отличие от других теплогенераторов (газовых, дизельных, электрических), тепловой насос "выкачивает" накопленную за теплое время года энергию из окружающей среды - грунта, скальной породы, водоёма.
Теплонасос — установка во многом похожая на холодильник. Как в тепловом насосе, так и в холодильнике есть компрессор, конденсатор, испаритель и устройство дросселирования. У обоих установок одинаковые циклы работы, разнятся лишь параметры настройки. Даже визуально, по габаритам и форме, они схожи.
Работа холодильника основана на «выкачивании» тепла наружу, работа же теплового насоса, наоборот, основана на заборе тепла извне и перенаправлении его систему отопления. В холодильниках практически не ощущаемое тепло продуктов отводится в виде достаточно горячего воздушного потока, которое отходит от радиатора, расположенного на задней стенке холодильника (конденсатора). Именно поэтому, вытащив из холодильника испарительную камеру (с трубами) и закопав ее в грунт, мы будем иметь теплонасос, который будет способен обогревать помещения подогретым воздухом. Если же конденсатор омывать водой (через теплообменник), то нагретую воду можно направлять в систему водяного отопления: в радиаторы, фанкойлы или в теплые водяные полы.
Поговорим о том, как же работает тепловой насос.
Теплоноситель нагревается на несколько градусов, проходя по внешнему контуру, уложенному в землю или водоём, Внутри теплового насоса теплоноситель, проходит через теплообменник (испаритель) и отдает собранное тепло внутреннему контуру теплового насоса. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом, имеющим низкую температуру кипения, который, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газообразное при температуре -5°С и низком давлении. Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, там он сжимается до высокого давления и высокой температуры. Затем горячий газ поступает во второй теплообменник - конденсатор, где происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент, отдавая тепло системе отопления, охлаждается и превращается в жидкость, а теплоноситель системы отопления поступает в отопительные приборы. После прохождения через конденсатор жидкий хладоген может быть еще более охлажден, а температура прямой воды системы отопления увеличена посредством дополнительно установленного сабкулера. Давление хладагента, тем не менее, все еще остается высоким. При прохождении хладагента через редукционный клапан давление понижается, хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.
Необходимые требования к источнику энергии
Как уже было сказано ранее источником энергии может быть грунт, скальная порода, озеро, вообще любой источник тепла с температурой - 1 градус Цельсия и выше, доступный в зимнее время. Это может быть река, море, выход теплого воздуха из системы вентиляции или какого-либо промышленного оборудования.
Скважина
При использовании в качестве источника тепла скалистой породы трубопровод опускается в скважину. Можно пробурить несколько не глубоких скважин - это, возможно, обойдётся дешевле, чем одна глубокая. Главное - получить общую расчетную глубину.
Для предварительных расчетов используется следующее соотношение – 50-60 Вт тепловой энергии на 1 метр скважины. То есть, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной 170 метров.
Земляной контур
При укладке контура в землю желательно использовать участок с влажным грунтом, лучше всего с близкими грунтовыми водами. Использование сухого грунта тоже возможно, но это приводит к увеличению длины контура. Трубопровод должен быть зарыт на глубину примерно 1 м, расстояние между соседними трубопроводами - примерно 0.8-1.0 м.
Удельная тепловая мощноть трубопровода, уложенного в землю трубопровода - 20-30 Вт/м. Т. е. для установки теплового насоса производительностью 10 кВт достаточно 350-450 м теплового контура, для чего хватит участка 20х20 кв.м.
Специальной подготовки почвы не требуется, влияния на растения трубопровод при правильном расчёте не оказывает.
Водоём
Ближайший водоём - идеальный источник тепла для теплового насоса. При использовании в качестве источника тепла воды озера или реки контур укладывается на дно. Этот вариант является идеальным с любой точки зрения – «высокая» температура окружающей среды (температура воды в водоеме зимой всегда положительная), короткий внешний контур, высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосом.
На 1 метр трубопровода приходится ориентировочно 30 Вт тепловой мощности.Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длинной 300 метров.
Для того, чтобы трубопровод не всплывал, необходимо установить около 5 кг груза на 1 погонный метр трубопровода.
Теплый воздух
Существует и специальная модель теплового насоса с воздушным теплообменником для получения тепловой энергии из воздуха, например, из вытяжки вентиляционной системы. Она может использоваться на производственных предприятиях вырабатывающих большое количество тёплого воздуха (пекарни, производство керамики и т.д.). Такая модель пригодится и для загородного дома для работы системы горячего водоснабжения в летний период.
Основные преимущества тепловых насосов:
Экономичность. Для работы не нужен газ или другое горючее топливо. Постоянный рост стоимости тарифов на электроэнергию ведет за собой большие финансовые затраты. С помощью теплового насоса можно минимизировать эти затраты.
Тепловой насос использует затраченную энергию значительно эффективнее любых других отопительных систем, сжигающих топливо или электричество напрямую. Величина КПД у них достигает 300%. Тепловые насосы характеризуют коэффициентом преобразования тепла (Кпт).
Этот коэффициент также называют коэффициентом трансформации тепла, коэффициентом трансформации мощности, коэффициентом преобразования температур, иногда встречается просто аббревиатура COP. Суть в этих названиях одна - коэффициент определяет отношение получаемого тепловым насосом тепла к затраченной им энергии. Например, Кпт = 3,0 говорит о том, что, подведя к установке всего 1 кВт, на выходе мы получим 3,0 кВт тепловой мощности (2,0 кВт мы получаем безвозмездно у природы). При этом, тепловые насосы обладают значительным ресурсом (срок службы 50-100 лет при межремонтных интервалах 15-25 лет).
Доступность и повсеместность. Практически нет такого дома или объекта, где нам недоступна установка теплового насоса. Источник рассеянного тепла мы можем обнаружить в любом уголке нашей планеты. Земля, вода и, конечно, воздух есть даже на самом отдаленном от цивилизации участке, вдали от газопроводов - тепловой насос везде раздобудет для себя "пищу" для того, чтобы бесперебойно обогревать ваш дом.
Это оборудование не зависит от капризов погоды, поставщиков и тарифов на тепло, наличия дров или дизельного топлива, или просто от падения давления газа в сети. Доступность в эксплуатации. Обеспечивает стабильную температуру на протяжении всего года.
Экологичность. Отопление тепловыми насосами - экологично чистый способ обогрева. Такая установка не только сэкономит деньги на энергоресурсы, но и сбережет здоровье жильцам дома. Данные отопительные установки не сжигают топливо и, соответственно, не образуются вредные для человека окислы по типу SO2, CO, СO2.
Вокруг дома на почве не будет следов азотистой, фосфорной, серной кислот и бензольных соединений. Конечно, применение тепловых насосов положительно влияет на экологию всей планеты, сокращается выработка электроэнергии на ТЭЦ и т.д. Используемые в тепловых насосах фреоны озонобезопасны и не содержат хлоруглеродов.
Универсальность. Тепловые насосы не только вырабатывают тепло, но и охлаждают помещения, то есть они реверсивные. Тепловые насосы могут отбирать тепло из воздуха дома, охлаждая его и направлять тепловые избытки в скважину или на улицу с воздухом. В летнее время избыточное тепло можно использовать на подогрев бассейна.
Компактные размеры отопительной установки (размеры теплового насоса, зачастую не превышают размеров бытового холодильника).
Безопасность. Тепловые насосы пожаро- и взрывобезопасны. Нет открытого огня, выбросов, нет топлива, опасных газов или смесей. Взрываться в тепловом насосе попросту нечему, нельзя также отравиться или угореть.
Никакие элементы его конструкции не нагреваются до высоких температур, способных воспламенить горючие материалы. Остановки теплового насоса не приводят поломкам или замерзанию жидкостей. В целом, тепловой насос не более опасен, чем обычный холодильник.
Особенности тепловых насосов
При применении тепловых насосов необходимо помнить, что для всех типов тепловых насосов характерен ряд особенностей.
1. Во-первых, тепловой насос оправдывает себя только в хорошо утепленном здании, с теплопотерями не более 100 Вт/м2. Чем теплее дом, тем больше выгода. Как вы понимаете, отапливать улицу, собирая на ней же крохи тепла, — занятие глупое.
2. Во-вторых, чем больше разница температур теплоносителей во входном и выходном контурах, тем меньше коэффициент преобразования тепла (Кпт), то есть меньше экономия электроэнергии. Поэтому более выгодно подключение агрегата к низкотемпературным системам отопления. Прежде всего, имеется в виду обогрев от водяных полов или теплым воздухом, так как в этих случаях теплоноситель по медицинским требованиям не должен быть горячее 35°С.
3. В-третьих, для достижения большей выгоды практикуется эксплуатация тепловых насосов в паре с дополнительным генератором тепла. В доме с большими теплопотерями ставить насос большой мощности (более 30 кВт) невыгодно. Он громоздок, а будет работать в полную силу всего лишь около месяца. Ведь количество действительно холодных дней не превышает 10-15% от длительности отопительного сезона. Поэтому часто мощность теплового насоса назначают равной 70-80% от расчетной отопительной. Она будет покрывать все потребности дома в тепле до тех пор, пока уличная температура не опустится ниже определенного расчетного уровня (температуры бивалентности), например, минус 5-10°С. С этого момента в работу включается второй генератор тепла. Есть разные варианты его использования. Чаще всего таким помощником служит небольшой электронагреватель, но можно поставить и жидкотопливный котел. Возможны и более сложные тепловые бивалентные схемы, например включение солнечного коллектора. Для этого, у некоторых серийных систем тепловых насосов и солнечных коллекторов такая возможность предусмотрена в конструкции. В этом случае, смешивание тепла, идущего от теплового насоса и от солнечного коллектора (малоинерционная система) производиться в выравнивающем бойлере.
Подведем итоги нашей с вами беседы. Несмотря на положительные преимущества теплового насоса на сегодняшний день они остаются дорогим удовольствием и не могут составить конкуренции газовым системам обогрева. Их стоимость и время окупаемости напрямую зависит от климатических условий, в которых расположен объект. Осложняет внедрение и необходимость проведения точных расчетов при выборе насоса и его мощности для каждого индивидуального объекта и высокая стоимость таких установок. Однако, в некоторых регионах, где не предвидится прокладка газовых коммуникаций, тепловые насосы являются альтернативой установкам на твердом топливе, электрокотлам, и прочим «традиционным» способам обогрева.
Только нам решать, как нам жить, и чем дышать. С каждым годом человечество видит все больше результатов своей деятельности, выражающихся в изменении климата, стихийных бедствиях и природных катаклизмах. Давайте стремиться к тому, чтобы рядом с нашими домами пели настоящие, а не электронные птицы, а наши дети и внуки играли на газонах из травы, которая не будет пластмассовой.