Источники тепла теплового насоса

Источники тепла  теплового насоса

За видом теплоносителя  во входном (грунтовый контур, наружный воздух, водный источник и др.) и выходном (система отопления, горячее водоснабжение, охлаждение) контурах тепловые насосы делятся на шесть типов: грунт-вода, вода-вода, воздух-вода, грунт-воздух, вода-воздух, воздух-воздух.

Тепловой насос  грунт-вода

Грунт – это наиболее универсальный источник рассеяного тепла. Он аккумулирует солнечную энергию и целый год подогревается от земного ядра. При этом он всегда "под ногами” и способен отдавать тепло в независимости от погоды. Потому что уже на глубине 5-7 м температура практически постоянная на протяжении всего года. Для большей территории Украины она составляет 8-12°С, что вполне достаточно для обустройства высокоэффективного системы отопления и охлаждения. Более того, в верхних слоях земли минимальное значение температуры достигается на несколько месяцев позже от пиков морозов – потребность в интенсивном обогреве с помощью теплового насоса грунт-вода до той поры уменьшается. В целом же грунт достаточно надежно поставляет калории для теплового насоса. Необходимая энергия собирается грунтовым теплообменником, углубленным в землю, и аккумулируется в теплоносителе, который потом подается в испаритель теплонасоса и возвращается назад за новой порцией тепла. В качестве такого носителя используется незамерзающая, экологически безопасная жидкость (ее еще также называют “рассолом” или антифризом). В большинстве тепловых насосов грунт-вода используется раствор воды и пропиленгликоля или этиленгликоля.

Есть и другая схема  отбора тепла, когда вместо ”рассола”  в контуре циркулирует фреон, который превращается в пару непосредственно  в трубах теплосборника. Хоть эта схема немножко повышает КПД теплового насоса, но ее эксплуатация сложна и небезопасна для окружающей среды.

Сегодня наиболее популярный тепловой насос грунт-вода с ”рассолом”. В этих геотермальных тепловых насосах  используется два вида теплообменников: грунтовий коллектор и грунтовий зонд. Оба выполняются из полиэтиленовых труб диаметром 40 мм с добавками теплопроводного пластификатора.

Грунтовий коллектор (горизонтальный коллектор) представляет собой длинную трубу, горизонтально вложенную под слоем ґрунта. Главное преимущество  горизонтального коллектора –универсальность и простота монтажа. Недостаток – большая площадь под грунтовый коллектор – 25-50 м2 на 1 кВт мощности теплонасоса (причем площадку можно использовать лишь под газон или однолетние цветы). Есть много схем укладки труб грунтового теплообменника: петля, змейка, зигзаг, плоские и винтовые спирали разных форм, так называемый способ ”Slinky” и др. Выбор способа укладки горизонтального коллектора определяется теплопроводностю грунта и геометрией участка.

Производительность грунтового теплообменника больше на увлажненных  суглинках и значительно меньше на сухих песчаных участках. В среднем 1 м2 поверхности грунта может обеспечить "снабжение” 10-35 Вт мощности. Длину трубы грунтового коллектора геотермального теплового насоса в одной петле, причем сплошной, без соединений, стремятся ограничить (не более 600 м), в другом случае вырастет затрата электрической энергии на циркуляционный насос и соответсвенно на теплонасос. Если нужна большая мощность теплового насоса грунт-вода, то петель грунтового коллектора делают несколько.

Вертикальные коллекторы (вертикальные теплообменники) – это  система длинных труб, которые  опущены в глубокую скважину (40-150 м). Тепловой насос грунт-вода с использованием вертикального теплообменника нуждается  лишь в лоскутке земли, но также нужны  дорогие работы по бурению. На глубине  всегда одинаковая температура –  около 10°С, поэтому вертикальные коллкторы мощнее от горизонтальных коллекторов. Один метр длины вертикального теплообменника дает от 30 до 100 Вт тепловой энергии, в зависимости от грунта. Известно около десяти разных конструкций вертикальных коллекторов, даже достаточно необычных (например, в виде труб, забетонированных в сваи фундамента дома). Но наиболее применяемыми являются две: труба в трубе и U-образная. По одной линии "рассол" подается циркуляционным насосом вниз, а по другой им же поднимается вверх, к испарителю теплового насоса. В глубоких скважинах трубопроводы вертикального теплообменника всегда защищают обсадной трубой, в мелких не всегда.

Для улучшения теплопередачи  и повышения прочности вертикального  коллектора зазор между землей или  обсадной трубой и рабочими трубами  заполняется бетонитом или бетоном. Если нужно получить большую мощность, таких вертикальных теплообменником  делают несколько. Расстояния между  вертикальными коллекторами составляет 5-7 м.

У вертикальных коллекторов, кроме дороговизны, есть еще одно слабое место, о котором ничего не говорится в фирменных буклетах. Как показали исследования, равновесие процессов отбора тепла вертикальным теплообменником и возобновления "питательной" способности грунта (вокруг грунтового зонда земля охлаждается) наступает лишь через 4-5 лет эксплуатации. Потому еще на стадии проекта геотермального теплового насоса нужно учитывать  все особенности эксплуатации таких  источников низкопотенциального тепла. Наши специалисты используют западный опит и проводят соответствующие расчеты для проектирования теплонасосных систем, используя программные продукты, аналогов которым в Украине не существует, для учета всех выше перечисленных особенностей геотермальных тепловых насосов и грунтовых коллекторов.

Тепловой насос  грунт-вода с вертикальным теплообменником

Земные недра являются бесплатным теплоисточником для  тепловых насосов грунт-вода, поддерживающим одинаковую температуру круглый  год. Использование тепла земных недр является экологически чистой, надежной и безопасной технологией обеспечивания теплом и горячим водоснабжением всех типов зданий, больших и малых, общественных и частных. Уровень капиталовложений в теплонасос достаточно высок (бурение скважины), но взамен Вы получите безопасный в работе, с минимальными требованиями к сервисному обслуживанию, альтернативный обогревательный высокоэффективный теплогенератор с максимально длительным сроком эксплуатации. Коэффициент преобразования тепла (СОР) в тепловых насосах грунт-вода Прогресс-ХХІ достаточно высок, и достигает 3-5. Геотермальный тепловой насос не требует много места и может быть внедрен на участке земли малой плошади. Объем восстановительных работ после работ по бурению для грунтового коллектора незначителен, влияние пробуренной скважины на окружающую среду минимально. На уровень грунтовых вод воздействие не оказывается, так как грунтовые воды не потребляются.

Тепловой насос  грунт-вода с горизонтальным теплообменником

В поверхностном слое земли  накапливается тепло в течение  лета. Использование этой энергии  для обогрева с помощью тепловых насосов грунт-вода целесообразно  для зданий с высокими энергорасходами. Наибольшее количество энергии извлекается грунтовым коллектором из почвы с большим содержанием влаги.

Тепло из почвы поставляется посредством пластикового шланга. Экологически чистая, морозостойкая жидкость циркулирует  в шланговой системе и переносит  тепло к тепловому насосу. Требует  больших площадей, чем вертикальный коллектор, но значительно уменьшаются  затраты на монтаж теплонасоса.

Тепловой насос  вода-вода

Солнце нагревает воду в морях, озерах и других водных источниках. Солнечная энергия накапливается  в воде и донных слоях. Редко температура  снижается ниже +4 °С. Чем ближе к поверхности, тем температура больше варьируется в течение года, а в глубине - она относительно стабильна. Шланг для передачи тепла укладывается на дне или в грунте дна, где температура еще немного выше, чем температура воды. Важно, чтобы шланг снабжался отягощающим грузом для предотвращения всплытия шланга на поверхность. Чем ниже он залегает, тем меньше риск повреждения. Водный источник как источник тепла для теплового насоса очень эффективен для зданий с относительно высокими потребностями в тепловой энергии.

Тепловой насос  вода-вода

Есть вариант монтажа  теплового насоса без использования  классических грунтовых коллекторов. Возможна организация забора воды из колодца или водоема с последующим  сбросом, после прохождения теплообменника, через отводной канал обратно  в водоем или другой колодец.

Источником тепла для  тепловых насосов вода-вода Прогресс-ХХІ  могут быть поверхностные (реки, озера) или грунтовые воды (скважины), а  также стоковые воды технологических  установок. Сами тепловые насосы почти  не отличаются от тех, которые работают с "рассолом". Но благодаря высшей температуре теплоносителя зимой  годовая эффективность  использования  таких теплонасосов оказывается наивысшей. Жаль, что такой источник тепловой энергии хорош преимущественно для промышленного употребления. Очень редко возникают соответствующие условия для частника. Но если рядом течет незамерзающая река, вы можете проложить петлю трубы с антифризом на дно (притопив грузами) и обогреваться практически за даром. Конечно, если водозащитная служба даст разрешение на такие работы. Со скважиной сложнее. Воду из нее (из расчета около 0,25 м3/год на 1 кВт тепловой мощности теплонасоса) скважинным насосом подают прямо в испаритель (или промежуточный теплообменник), а сливают во вторую скважину, удаленную от первой вниз по течению воды в подземном слое на 15-20 м. При этом водоносный слой должен принять и отвести воду, которая сливается от теплового насоса вода-вода, иначе маленькое наводнение вам обеспеченно. Ясно, что такие пласты на малой глубине встречаются не везде, а для артезианских скважин, получить разрешение у нас непросто. И еще нужно защитить испаритель от загрязнения и коррозии. Фильтрование и анализ воды обязательны. Если в ней слишком много солей, придется устроить промежуточный теплообменник, между ним и теплонасосом будет циркулировать деаерована чистая вода или антифриз, это зависит от системы.

Тепловой насос  воздух-вода. Тепловой насос на вентиляционном воздухе

По универсальности употребления в отечественных условиях тепловой насос воздух-вода занимает пока еще  второе место. И сам воздушный  тепловой насос дешевле, и труб (с  неизменными земляными работами) не требуется. Недостаток один, но существенный: из морозного воздуха много тепла  не отберешь. Стабильно, хотя и с  уменьшенной мощностью, воздушный  теплонасос работает до минус 15-20 °С, а затем нужно включать другой теплогенератор. В тепловых насосах воздух-вода Прогресс - XXI, в конструкцию уже встроенные электрические нагреватели (ТЭНи) мощностью от 3 до 9 кВт. Когда речь идет о выборе тепловых насосов с воздухом, как источник тепловой энергии, полезно учитывать два важных обстоятельства, обычно умалчиваемых в статьях. Во-первых, значение номинальной мощности энергоэффективного отопительного устройства, которое приводится в паспорте, относится к определенной температуре наружного воздуха. Это может быть и 0, и 2, и 10, и даже 25°С. Значит, по эффективности каждый тепловой насос воздух-вода  нужно сравнивать при одинаковой температуре наружного воздуха. Во-вторых, с усилением холодов воздушный тепловой насос развивает заметно меньшую (иногда вдвое) мощность, потому дополнительный теплогенератор нужен обязательно, если теплонасос не рассчитан с запасом.

Конструктивно тепловие насосы воздух-вода выполняются за двумя компоновочными схемами: сплит и моно. В первом случае вохдушный тепловой насос состоит из двух блоков, соединенных коммуникациями. Один, внешний, включает мощный вентилятор и испаритель (монтируется на участке неподалеку от дома). Второй, внутренний, содержит конденсатор и автоматику, и устанавливается в помещении. Компрессор может располагаться или внешне, чтобы не шумел, или в доме. В моноблочных воздушных тепловых насосах все элементы собираются в общем корпусе и монтируются в доме, а с улицей соединяются гибким воздуховодом. Существуют моноблоки, которые допускают как внешний, так и внутренний монтаж. В последние годы, в связи с ухудшением вентиляции жилья из-за широкого употребления новых герметических окон со стеклопакетами, теплонасосы получил дополнительное развитие. Кроме отопления и подготовки горячей воды, некоторые модели "научились" не только работать в системах вентиляции, но и использовать тепло отработанного воздуха помещений. Такие воздушные тепловые насосы  могут использовать тепловые сбросы самого помещения для отопления и горячего водоснабжения: сбросную воду, а также вентиляционные выбросы и дымовые газы. В последнем случае вытяжная система должна быть оборудованная действующим вентиляционным агрегатом. Данная комбинация улучшает вентиляцию дома и уменьшает проблемы с плесенью, сыростью, радоновой загазованностью.

Применение тепловых насосов

Перечисленные преимущества тепловых насосов грунт-вода, вода-вода, воздух-вода, обусловили их широкое  применение в развитых странах мира. Ставится задача не в локальном или  ограниченном применении теплоснабжения с применением теплонасосных систем, а о максимальном отказе от прямого сжигания для этих целей органического топлива. Область применения теплонасосов поистине безгранична. С их помощью легко решать вопросы теплоснабжения и горячего водоснабжения городского комплекса, и объектов, расположенных вдали от коммуникаций - будь то фермерское хозяйство, коттеджный поселок, ресторан или АЗС на трассе. Применение тепловых насосов особенно эффективно в случае использования напольных систем водяного отопления, для которых температура конденсатора не превышает 35-40°С. Все более широкое применение в последнее время находят теплонасосы   для отопления с применением современных теплообменников типа фанкойлов, характеризующихся высоким коэффициентами теплопередачи и соответственно допускающих использование теплоносителя с пониженными температурами.

Анализ зарубежного  опыта в использовании тепловых насосов

Анализ зарубежного опыта  в области отопления и горячего водоснабжения показывает, что там  уже достаточно давно и в настоящее  время очень широко используются тепловые насосы. Сегодня в мире работает свыше 10 млн. тепловых насосов  различной мощности - от нескольких киловатт до сотен мегаватт. Рынок  теплонасосных систем достаточно устойчив к конъюнктурным колебаниям и составляет примерно миллион продаж в год. По прогнозу Мирового Энергетического Комитета, к 2020 году в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения от теплонасосов составит не менее 75%. Приведенные примеры свидетельствуют о том, что в мировой практике меняется стратегия теплоснабжения: происходит переход от традиционного сжигания органического топлива к использованию этих энергоэффективных технологий для утилизации рассеянного или сбросного техногенного тепла.