Тепловые насосы

Традиционно для отопления коттеджей используют дизельное топливо (газ, электричество) либо твердое топливо (торф, уголь, кокс и др.). Однако помимо привычных систем существуют альтернативные технологии, которые позволяют получать тепло буквально из воздуха...


Несмотря на то, что в России только начинают привыкать к такому понятию, как тепловые насосы (ТН), в современной жизни их применение становится все более актуальным. Главным образом потому, что цены на газ имеют тенденции к росту. И чем они выше, тем сильнее становятся позиции возобновляемых источников тепловой энергии. Идеальным примером активного использования тепловых насосов является Швеция, где разработка оборудования и, главное, масштабы применения таких систем доказывают, что высокая эффективность подобных устройств позволяет их использовать не только в бытовом, но и на промышленном уровне. Тепловые устройства уже более четверти века успешно действуют в быту и промышленности как в Америке, так и в Европе, их количество исчисляется десятками миллионов. За рубежом тепловые насосы применяют, чтобы отапливать дома, готовить горячую воду, охлаждать или осушать воздух в комнатах, вентилировать помещения.

Принцип работы тепловых насосов


Два века назад британский физик Уильям Томсон придумал устройство под названием «умножитель тепла», основанное на следующих физических явлениях: вещество затрачивает энергию при испарении и отдает энергию при конденсации. По сути, ТН - это слегка преобразованный холодильник. Даже внешне, по размерам и форме, ТН поразительно похож на своего сородича. Тепловой насос работает точно так же, как и обычный холодильник. Принцип его работы заключается в том, что «отнять» тепло у некоего продукта (охладив его) и передать это тепло в отопительную систему. Ведь согласно закону сохранения энергии, тепло (как вид энергии) никуда не девается, не пропадает и не возникает из ниоткуда.

Оно просто или меняет свой вид, или переходит от одного тела к другому. Кухонный холодильник, «отняв» тепло у продуктов, затем лишь поддерживает их низкую температуру. Поэтому работает периодически, компенсируя теплопотери через свои стенки. Но если продукты постоянно заменять, то холодильник будет работать непрерывно. Так устроен и ТП. Он постоянно охлаждает какой-то источник тепла (воздух, воду, грунт, отработанный теплый воздух) и передает отнятое тепло воде в системе отопления или воздуху внутри дома. Источник тепла можно обнаружить в любом уголке планеты.

Земля и воздух найдутся и на самом заброшенном участке, вдали от газовых магистралей и линий электропередачи - везде этот агрегат раздобудет для себя «пищу», чтобы бесперебойно отапливать дом, не завися от капризов погоды, поставщиков дизельного топлива или падения давления газа в сети. Прелесть ТП состоит в том, что из 1 КВт затраченной при его работе электроэнергии мы можем получить 3-5 Квт тепловой энергии, срок службы до капитального ремонта - 15-20 лет. Такое соотношение затраты - результат делает использование теплового насоса весьма заманчивым и перспективным.

Устройство

Сам тепловой насос состоит из трех секций. Первая и главная - коллектор. Именно он собирает тепло. Представляет он собой замкнутый контур полиуретановых труб, по которым циркулирует так называемый рассол - незамерзающая смесь на основе спирта или, к примеру, гликоля. В зависимости от концентрации гликоля регулируется уровень температуры замерзания. Скорость прогонки рассола составляет примерно два литра в секунду при мощности насоса 4 кВт.

К контуру подключен теплообменный элемент, называемый испарителем. С его помощью тепло от рассола передается хладагенту, циркулирующему в другом контуре. В качестве хладагентов используется экологически чистая углекислота или углеводороды. Поскольку хладагент имеет низкую температуру кипения, он закипает и превращается в газ. При помощи компрессора, увеличивающего давление, температура хладагента повышается, и он направляется в конденсатор, передающий тепловую энергию в третью секцию - отопительную систему дома. После конденсатора остаточная тепловая энергия из хладагента «выжимается» с помощью дополнительного охладительного элемента, после чего хладагент переходит в жидкое состояние. Затем давление снижается при помощи расширительного вентиля, и цикл повторяется снова - хладагент вновь попадает в испаритель.

Преимуществом ТП является высокая экономическая эффективность. Расход электроэнергии на работу компрессора компенсируется «прибылью» от теплоотдачи - на 1кВт электроэнергии получаем 3-4 кВт тепла. Среди недостатков лишь сравнительно высокая стоимость относительно газового котла для частного домостроения. Для промышленного же сектора цены по сравнению с газовым котлом сопоставимы. Тепловой насос окупается за несколько лет. Простота эксплуатации также относится к числу достоинств теплового насоса - они работают полностью в автоматическом режиме. Их можно подключить к любой отопительной системе - радиаторам, фанкойлам, системе водяного теплого пола, приточной системе вентиляции.

Эти агрегаты практически взрыво- и пожаробезопасны. Нет топлива, нет открытого огня, опасных газов или смесей. Взрываться здесь просто нечему, нельзя также угореть или отравиться. Ни одна деталь не нагревается до температур, способных вызвать воспламенение горючих материалов. Остановки агрегата не приводят к его поломкам или замерзанию жидкостей. В сущности, ТН опасен не более, чем холодильник.

Важно отметить, что ТП тем эффективнее, чем ниже температура теплоносителя в радиаторах или теплом водяном полу.
«Сырье» для тепла

Вариантов, откуда тепловые насосы могут получать тепло, несколько. Во-первых, это сама земля. Земные недра являются бесплатным теплоисточником, поддерживающим одинаковую температуру круглый год. Использование тепла земных недр является экологически чистой, надежной и безопасной технологией. Установка может быть внедрена на участке земли малой площади. Объем восстановительных работ после бурения незначителен, влияние скважины минимально. Установка не оказывает влияния на уровень грунтовых вод, так как они не задействованы в процессе. Благодаря теплу, которое содержится в земле, эффективность такого насоса повышается. Капиталовложения в установку на базе тепла земных недр значительные, но взамен вы получаете безопасную в эксплуатации, с максимально длительным сроком службы систему с довольно высоким коэффициентом преобразования тепла.

Другой вариант для получения тепла посредством тепловых насосов - грунт. В поверхностном слое земли накапливается тепло в течение лета, эту энергию также имеет смысл использовать для отопления. Сохраненное в почве тепло согреет даже в холодную погоду. Тепло из почвы поставляется посредством пластикового шланга, который укладывается по периметру участка на глубине 1 м. Желательно, чтобы почва была влажной. 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, переносит тепло к теплонасосу. В данном случае нужно учитывать, что под грунтовый коллектор требуется большая потребная площадь - 25-50 квадратных метров на 1 кВт мощности. Производительность теплосбора больше на увлажненных суглинках и меньше на сухих песчаных участках.

Длина коллектора, а также высота водного столба (для теплонасоса с источником тепла, получаемым из земных недр) зависит от многих факторов: среднегодовой региональной температуры, степени покрытия теплонасосом общих энергорасходов, глубины залегания грунтовых вод и величины водного потока. Для обогрева помещений можно использовать и тепло воды. Шланг для передачи тепла укладывается на дне или в донном грунте, где температура еще немного выше, чем температура воды. Важно, чтобы шланг снабжался отягощающим грузом для предотвращения всплытия на поверхность.

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 более стабильна.

Особенности технологии

При применении ТП необходимо помнить, что для всех типов тепловых насосов характерен ряд особенностей.

1. Во-первых, тепловой насос оправдывает себя только в хорошо утепленном здании, то есть 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 таких случаях говорят об использовании бивалентной схемы отопления). 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, -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 (это достаточно инерционная система) и от солнечного коллектора (малоинерционная система), производится в выравнивающем бойлере.

При установке тепловых насосов важно помнить: цена ошибки здесь высока. Поэтому инженерное решение можно доверить только профессионалам. Проектирование системы отопления, подбор оборудования и монтажные работы - комплексный процесс, каждый этап которого должен быть безупречен.
Текст: Юлия Пеленкова

Советуем к прочтению

Пчеловодство

Пчеловодство

Пчеловодство – очень интересное и прибыльное занятие, а его продукты (мед, перга, маточное молочко, пчелиный яд и другие) полезны для здоровья. Однако далеко не каждый человек решается обзавестись собственной пасекой, ведь многие уверены, что для занятия пчеловодством нужен особый талант. …

Оставить комментарий

Комментарии

59ba5a446be5f55c