Статті

Чому для теплових насосів необхідно низькотемпературне опалення?

Виробники та продавці теплових насосів наполегливо рекомендують вибирати низькотемпературні системи опалення для роботи з їхньою продукцією. Такими є система водяного опалення «тепла підлога» та система повітряного опалення.

Причина таких рекомендацій зрозуміла не всім покупцям. Адже різниця температур на вході і виході сучасної радіаторної системи опалення може бути мінімальна. Тобто, подавши в радіатор двотрубної системи теплоносій з температурою 55 ° С, на виході отримаємо, наприклад, 45 ° С. Дельта температури теплоносія в системі «тепла підлога» не набагато менше. У чому ж причина?

Вся справа в особливості роботи компресора теплового насоса. Розглянемо такий приклад. Всім відомо, що кожна машина має золоту середину в співвідношенні швидкість / споживання палива. Як правило це 90-100 км / година залежно від марки і типу автомобіля. Те саме і з компресором: максимальний ефект ми отримаємо тоді, коли будемо нагрівати теплоносій на 30 ° С. Це відноситься до всіх типів компресорів всіх виробників.

Як використовувати цю золоту середину на практиці? Оскільки теплоносій з геотермального колектора або відкритої водяної системи має температуру від +5 до +10 ° С, то, отже, максимально економною буде система опалення, в якій теплоносій буде мати температуру 35-40 ° С.

А це - системи «тепла підлога» і повітряне опалення, в яких теплоносій не повинен бути вище 35 ° С у медичних і будівельних нормах.

Грунтовые и воздушные системы

Различают вертикальные и горизонтальные грунтовые системы.

Горизонтальные земляные коллекторы используют солнечную энергию, которая накапливается в верхних слоях грунта. Температура почвы остается на довольно высоком уровне даже в холодные зимние дни. По трубам коллектора, опущенного на определенную глубину, перетекает незамерзающая жидкость, соответствующая экологическим требованиям, которая передает полученное тепло к испарителю теплового насоса. Существуют разные методы использования энергии почвы:

1) Горизонтальный коллектор применяется, если есть достаточно территории и располагается на глубине около 1,2м.

2) Траншейный коллектор претендует на меньшее пространство. Потребуется приблизительно в 1-1,5 раза больше территории, чем обогреваемое пространство.

3) Гораздо меньше места занимают вертикальные геотермальные зонды, которые вводятся буровым инструментом на глубину до 100м. Геотермальные зонды состоят из замкнутых труб. Геотермальный зонд потребляет тепло так же, как почвенный коллектор. Обьем тепла, которое отбирает зонд, составляет от 30 до 100 Вт на метр зонда, что зависит от специфики строения грунта.

4) Коллектор, потребляющий теплоту поверхностных вод. Озера, моря и реки подходят для получения тепла при расположении на их дне теплообменника. 

Воздушные системы

Нагретый солнцем воздух имеется в наличии всюду. Тепловые насосы даже при -20°C наружного воздуха дают достаточно тепла. Однако воздух как источник тепла имеет недостаток: при низких температурах от -10°C производительность и коэффициент трансформации теплового насоса значительно снижаются. Преимуществом воздушного теплового насоса является отсутствие дополнительных грунтовых работ или работы, связанных с бурением скважин.

 

Конструкции с источником вода

В тепловых насосах с водяными источниками тепла (реки, озера, моря) используется накопленная энергия солнца. Эта энергия является идеальным источником для тепловых насосов, так как она поступает непрерывно, хотя и является менее доступной, чем воздух. Температура воды в незамерзающих водоемах не опускается ниже 4°С, а артезианская вода имеет почти постоянную температуру 10°С. Учитывая, что при отборе тепла воду нельзя охлаждать ниже 0°С, перепад температуры на теплообменнике составляет несколько градусов. При этом для отбора необходимого количества тепла требуется увеличивать расход воды.

Контур отбора тепла из водоема может быть открытым или закрытым. В первом случае вода из водоема перекачивается через охладитель, охлаждается и возвращается в водоем. Такая система требует фильтрации подаваемой в охладитель воды и периодической чистки теплообменника. Закрытый контур укладывается на дно водоема. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода закрытого контура составляет порядка 30 Вт [2]. То есть для получения 10 кВт тепла контур должен иметь длину 300 м. Для того, чтобы контур не всплывал, на 1 погонный метр необходимо устанавливать груз около 5 кг.

Если на необходимой глубине доступны грунтовые воды, то используется тепловой насос «вода-вода» или «вода-воздух». Благодаря высокой теплоемкости воды, эффективность системы будет очень высока. Стабильная температура грунтовых вод около +8°C - +12°C гарантирует оптимальный источник низкопотенциального тепла. Грунтовые воды перекачиваются из одной скважины в тепловой насос, отдают там тепло, а оттуда перетекают в другую скважину (сливную), удаленную на определенное расстояние.

Энергетически эффективны тепловые насосы, использующие геотермальные и подземные воды. В США федеральным законодательством утверждены требования по обязательному использованию геотермальных тепловых насосов (ГТН) при строительстве новых общественных зданий. В Швеции 50% всего отопления обеспечивается геотермальными тепловыми насосами. К 2020 г. по прогнозам Мирового энергетического комитета доля геотермальных тепловых насосов составит 75%. Срок службы ГТН составляет 25–50 лет.

В грунтовых ТН используется тепловая энергия, накопленная в грунте за счет нагрева ее солнцем или другими источниками. При горизонтальном исполнении трубопровод, в котором циркулирует жидкость, зарывается в землю на глубину ниже уровня промерзания почвы (1,0–1,5 м). Минимальное расстояние между трубами 0,8–1,0 м. Предпочтительным является влажный грунт. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода составляет 20–30 Вт. Таким образом, для получения 10 кВт тепла необходим земляной контур длиной 350–500 м, который можно разместить на участке земли площадью 400–500 м2.

При вертикальном исполнении грунтового ТН бурится скважина глубиной 60–200 м, в которую опускается U-образный трубопровод. Срок службы грунтового коллектора зависит от кислотности почвы: при нормальной кислотности (pH =5,0) – 50–75 лет, при повышенной (pH >5,0) – 25–30 лет.

Типовая принципиальная схема тепловой насосной установки приведена на рис. 3.

Рис. 3. Типовая принципиальная схема тепловой насосной установки:
а – водоем; б – грунтовой коллектор; в – геотермальная скважина;
1 – датчик наружной температуры; 2 – датчик температуры в помещении; 3 – фэнкоил; 4 – обогреваемый пол;
5 – гидромодуль; 6 – система горячего водоснабжения; 7 – бойлер; 8 – расширительный бак; 9 – тепловой насос;
10 – бак-аккумулятор; 11 – промежуточный теплообменник

Виды тепловых насосов

Существует несколько видов тепловых насосов. Отличие заключается в источнике низкопотенциального тепла и в системе отопления.
Тепловые насосы подразделяют по принципу действия (компрессорные, абсорбционные) и по типу цепи передачи «источник-потребитель тепла». Различают следующие тепловые насосы: воздух-воздух, воздух-вода, вода-воздух, вода-вода, грунт-воздух, грунт-вода, где первым указывается источник тепла.

Типовая схема гидравлического теплового насоса приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема гидравлическая теплового насоса:
1 – компрессор; 2 – источник теплоты низкого уровня (ИНТ); 3 – испаритель теплового насоса;
4 – конденсатор теплового насоса; 5 – потребитель теплоты высокого уровня (ПВТ); 6 – низкотемпературный теплообменник; 7 – регулятор потока хладагента; 8 – высокотемпературный теплообменник

Тепловой насос с гидравлической обвязкой (водяными насосами, теплообменниками, запорной арматурой и др.) называют тепловой насосной установкой. Если среда, охлаждаемая в испарителе, такая же, как и среда, нагреваемая в конденсаторе (вода-вода, воздух-воздух), то путем изменения потоков этих сред можно изменить режим ТН на обратный (охлаждение на нагрев и наоборот). Если среды – газы, то такое изменение режима называют обратимым пневматическим циклом, если жидкости – обратимым гидравлическим циклом (рис. 2).

Рис. 2. Схема теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом

Когда обратимость цикла выполняется изменением направления хладагента с помощью клапана обратимости цикла, используют термин «тепловой насос, работающий в обратимом холодильном цикле».

Тепловой насос - альтернатива газовому отоплению

Одной из альтернатив замены газа при отоплении домов является употребление тепла, которое имеется на нашей планете. Солнце - самый мощный источник энергии на Земле. Оно нагревает воздух, воду, земную поверхность и глубины. И до 60% отопительной энергии можно получить бесплатно от природы. Учеными был спроектирован тепловой насос, который и извлекает эту накопленную солнечную энергию. Используя тепло, рассеянное в окружающей среде (в земле, воде, воздухе), тепловой насос обладает поразительной эффективностью: затратив 1 кВт электроэнергии в приводе насоса, можно получить 3-4, а часто и до 5-6 кВт тепловой энергии, срок службы до капремонта теплонасоса - 15-20 лет.

В западных странах толчком к массовому внедрению теплонасосов послужила цепочка энергетических кризисов 70-х - начала 80-х годов. Но безусловным лидером в применении тепловых насосов является Швеция. Эффектным образцом служит теплонасосная станция мощностью 320МВт в Стокгольме. В качестве источника тепла используется вода Балтийского моря температурой +4°С, охлаждающаяся до +2°С. Летом температура увеличивается, а с ней и эффективность станции. Станция располагается на 6 причаленных к берегу баржах.

В США , к примеру, более 30% жилых домов и административных зданий оборудованы тепловыми насосами.

Что же такое тепловые насосы? Теплонасосы- это экологически чистые компактные соле/водяные устройства, позволяющие получать тепло для отопления и горячего водоснабжения за счет употребления тепла низкопотенциального источника (тепло грунтовых, артезианских вод, озер, морей, грунтовое тепло, тепло земных недр) путем переноса его к теплоносителю с более высокой температурой.

Теплонасосы оборудованы циркуляционными насосами - как для контура рабочей жидкости, так и для водяного контура системы отопления. Для обеспечения оптимальной выработки тепла теплонасосы укомплектованы автоматизированной системой управления - при помощи датчиков температура в отопительной системе подстраивается под изменения наружной температуры.

Тепловой насос совместим с любой циркуляционной теплопроводной отопительной системой. Для обогрева помещения, размером 100 кв.м., надо приобрести оборудование на сумму, примерно, 4-5 тыс. евро. Установка такого котла рассчитывается индивидуально, в зависимости от источника получения тепла.

Из чего могут добывать тепло тепловые насосы? Вариантов несколько:

1. Земные недра

Земные недра являются бесплатным теплоисточником, поддерживающим одинаковую температуру круглый год. Потребление тепла земных недр является экологически чистой, надежной и безопасной технологией.

Буровые работы ведутся в течении одного дня. Глубина скважины должна может колебаться  в пределах 60-200 м. в глубину. Ее ширина 10-15 см.

Оборудование может быть установлено на участке земли малой площади. Количество восстановительных работ после бурения незначительно, влияние скважины - минимально. Установка не оказывает влияния на уровень грунтовых вод, так как грунтовые воды не задействованы в процессе.

Благодаря теплу, которое содержится в земле, эффективность такого насоса получается довольно высокой. Примерные цифры таковы, что расходуя 1кВт электрической энергии на перемещение жидкости в грунт и обратно, Вы получаете 4-6 кВт энергии на отопление.

Уровень капиталовложений достаточно высок в установку на базе тепла земных недр, но взамен Вы получаете безопасную в эксплуатации, с максимально длительным сроком службы систему с значительно весомым коэффициентом преобразования тепла.

2. Тепло грунта

Грунтовый источник - близрасположенное тепло. В поверхностном слое земли накапливается тепло в течение лета, эту энергию также можно  использовать для отопления. Сохраненное в почве тепло обогреет Вас даже в холодную погоду.

Тепло из почвы поставляется посредством пластикового шланга, который помещается по периметру участка на глубине 1 м. Желательно, чтобы грунт был влажным. Но и сухой грунт не доставит больших проблем, придется увеличить длину контура. Минимальное расстояние между соседними трубопроводами должно быть около 1 м. Экологически чистая, морозоустойчивая жидкость, циркулирующая в системе, транспортирует тепло к теплонасосу.

Для получение 10кВт на отопление придется умостить 350-450 погонного метра трубопровода. Это примерно займет участок 20х20 метров.

Длина коллектора и высота водного столба (для теплонасоса с источником тепла “земные недра”) зависит от таких факторов: степени покрытия теплонасосом общих энергорасходов, среднегодовой региональной температуры, глубины залегания грунтовых вод и объема водного потока.

3. Водные источники тепла

Употребление тепла воды для обогрева помещений является идеальным вариантом.

Шланг для передачи тепла укладывается на дне или в донном грунте, где температура еще немного выше, чем температура воды. Важно, чтобы шланг оснащался отягощающим грузом для предотвращения всплывания на поверхность. Для этого на 1 погонный метр трубопровода накладывается около 5 кг груза. Другим вариантом может быть укладка шланга в грунт на дне водоема.

Для получения 10кВт на отопление прийдется уложить по дну 300 погонных метров трубопровода.

Солнце нагревает воду в морях, озерах и других водных источниках. Солнечная энергия накапливается в воде и донных слоях. Температура редко снижается ниже +4 °C.

Чем ближе у поверхности, тем больше годовые колебания температуры, но на глубине температура практически неизменная.