Что необходимо знать о тепловых насосах?

• Share

Задача специалиста по тепловым насосам — определить наиболее выгодный тип теплового насоса применительно для данных условий и требований. Сделать необходимые расчеты и правильно расположить тепловой насос внутри дома в хозблоке или на улице. Необходимый результат можно получить только после квалифицированного расчета, лучше не укрупненного, ведь реализованная система должна проработать в среднем 20 лет и за это время не один раз окупиться.

Отопление или охлаждение в жилых домах с тепловым насосом лучше осуществлять через теплые полы, такая система является наиболее экономичной и эстетичной, а также график распределения температур имеет более равномерный характер, чем при других системах отопления. При нагреве температура полов должна быть не более 35°С, а при охлаждении — не ниже 20°С для предотвращения конденсации на поверхности пола. В случае если площади полов недостаточно для отопления помещений, дополнительно необходимо применять традиционные системы отопления с использованием радиаторов или фанкойлов. Возможны различные комбинации систем отопления и кондиционирования помещений с применением теплового насоса.
Стоимость системы отопления с тепловым насосом зависит от многих факторов (характеристика грунтов, уровень грунтовых вод, отдаленность от воды и т.д.). В среднем такая система будет иметь цену, аналогичную системам отопления с качественным газовым котлом и системам кондиционирования дома. При этом необходимо учитывать уменьшение текущих затрат, связанных с выполнением проекта по газу, обустройство котельной, подвод газа.
Такие системы возможно располагать просто в гараже или подвале, дополнительные требования к помещениям не предусматриваются, что приводит к снижению косвенных затрат.

Основные проблемы внедрения таких систем в нашей стране — нехватка специалистов, способных комплексно мыслить, учитывать все факторы, влияющие на цену и окупаемость ТН, правильно подобрать наилучший тип оборудования и метод извлечения тепла, также неоправданно высокие цены на бурение скважин и прокладку грунтовых зондов. Но при этом есть все основания полагать, что в ближайшее время установка тепловых насосов станет привычным делом.

Источники получения тепла:

• Share

Земные недра являются бесплатным теплоисточником, поддерживающим одинаковую температуру круглый год. Использование тепла земных недр является экологически чистой, надежной и безопасной технологией. Буровые работы проходят в течение одного дня. В зависимости от различных факторов скважина должна быть в пределах около 60-100 м в глубину. Ее ширина — 10-15 см. (В Украине есть ограничения на глубину бурения, этот факт стоит учитывать и консультироваться с геологами).
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 грунтовые воды не задействованы в процессе.
Благодаря теплу, которое содержится в земле, эффективность такого насоса получается довольно высокой. Примерные цифры таковы, что, затрачивая 1 кВт электрической энергии на перемещение жидкости в грунт и обратно, получаем 4-6 кВт энергии на отопление.
Уровень капиталовложений достаточно высок в установку на базе тепла земных недр, но взамен потребитель получает безопасную в эксплуатации, с максимально длительным сроком службы систему с достаточно высоким коэффициентом преобразования тепла.

• Share

Грунтовый источник — близрасположенное тепло. 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.
Для получение 10 Вт на отопление придется уложить 350-450 погонных метра трубопровода. Это примерно займет участок 20×20 м. Длина коллектора/высота водного столба (для теплонасоса с источником тепла «земные недра») зависит от многих факторов: среднегодовой региональной температуры, степени покрытия теплонасосом общих энергорасходов, глубины залегания грунтовых вод и величины водного потока.

• Share

Использование 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 снабжался отягощающим грузом для предотвращения всплытия на поверхность. Для этого на 1 погонный метр трубопровода укладывается около 5 кг груза. Вторым вариантом может быть укладка шланга в грунт на дне водоема.
Для получение 10 кВт на отопление придется уложить по дну 300 погонных метра трубопровода. Солнце нагревает воду в морях, озерах и других водных источниках. Солнечная энергия накапливается в воде и донных слоях. Температура редко снижается менее +4°C.
Чем ближе к поверхности, тем большие годовые колебания температуры, но на глубине температура более стабильна.
Если говорить о земельном теплообменнике, выполненном по типу двойной, который располагается в земляном пробуренном отверстии, то модулем в этом случае является 1 м глубины бурения. Максимальная глубина одного пробуренного отверстия — 100 м. Количество энергии, необходимое для теплового насоса, зависит от мощности насоса, что и определяет величины и количество скважин. Минимальное расстояние между скважинами по сторонам — 5 м. Минимальное расстояние скважин от отопительных объектов — 10 м. Тепловая производительность на 1 м скважины рассчитывается по составу пород грунта.

Система отопления в комплексе: тепловой насос и водяной теплый пол

Теплый пол и тепловой насос — это наиболее эффективное сочетание. Энергия не только «производится» экономно, но и экономно используется.
Водяной теплый пол — низкотемпературная система отопления (температура теплоносителя: 30-45°C). Если же сравнивать ее с традиционной «радиаторной» (температура теплоносителя: 70-95°C) системой отопления, то экономия тепловой энергии может достигать до 40-50%.
Отношение затраченной электроэнергии к выработанной тепловой энергии тепловым насосом («КПД теплового насоса») во многом зависит от системы отопления, для которой поставляет тепло тепловой насос: чем меньше расчетная температура теплоносителя, тем больше эффективность теплового насоса. В силу технических ограничений температура, подаваемая в систему отопления из теплового насоса, не превышает 55°C, причем температура обратной воды не должна превышать 50°C.
При радиаторной системе отопления необходимо специально рассчитывать отопительные приборы, чтобы использовать теплонасосную установку. При использовании системы отопления «водяной теплый пол» никаких специальных расчетов не требуется, эти системы созданы друг для друга. Даже при правильном расчете радиаторной системы отопления использование системы отопления «теплый пол» всегда будет давать более эффективное использование энергии, накопленной в окружающей среде. Кстати, тепловой насос вырабатывает тепло не только в отопительный период, тепло для системы горячего водоснабжения вырабатывается круглый год. А для среднего загородного дома затраты на приготовление горячей воды составляют около 15-20%.

Необходимые требования к источнику энергии

Источником энергии может быть грунт, скальная порода, озеро, воздух (для специальных моделей), вообще любой источник тепла с температурой 1°C и выше, доступный в зимнее время. Это может быть река, море, сточные воды, выход теплого воздуха из системы вентиляции или система охлаждения какого-либо промышленного оборудования.
Внешний контур, собирающий тепло окружающей среды, представляет собой полиэтиленовый трубопровод, уложенный в землю или в воду.

Необходимая длина трубопровода, уложенного в землю или опущенного в скважину, рассчитывается по специальной программе фирмы-производителя.

• Share

Перед проведением буровых работ необходимы данные геологической разведки места. Из карты разреза станет понятно, о какой модели установки вести разговоры и каковы термические свойства грунта. Скважины выполняет квалифицированный персонал фирм, имеющих лицензии на данный вид работ, они же сразу устанавливают теплообменник и бетонируют его.

Отопление — зимой, охлаждение — летом

Тепловые насосы используются в холодное время года для отопления помещения, а в теплое время года их используют для охлаждения воздуха в доме. Принцип работы такого насоса при охлаждении помещения такой же, как и при отоплении. Только тепло в этом случае забирается из воздуха в помещении и отдается земле или водоему. В данном случае принцип работы теплового насоса практически полностью совпадает с принципом работы холодильника.
В общем, тепловой насос — это просто другое название холодильника, который представляет собой машину Карно, работающую в обратном направлении. Холодильник перекачивает тепло из охлаждаемого объема в окружающий воздух. Если поместить холодильник на улице, то, извлекая тепло из наружного воздуха и передавая его во внутрь дома, можно таким нехитрым способом обогревать помещение.

Краткая характеристика рынка тепловых насосов

На сегодняшний день в развитых и развивающихся странах счет работающих ТНУ различного функционального направления ведется на миллионы или сотни тысяч единиц. В это же время в Украине работают единичные установки, созданные в основном на элементной базе холодильного оборудования, ввозимого из стран Западной Европы от специализированных фирм-производителей.

Принцип работы теплового насоса: Теплоноситель, проходя по трубопроводу, уложенному, например, в землю, нагревается на несколько градусов. Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом. Хладагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газ. Это происходит при низком давлении и низкой температуре. Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где он сжимается, его температура повышается. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник (конденсатор). В конденсаторе происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам. При прохождении хладагента через редукционный клапан — давление понижается, хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова. Share

Такое отставание Украины от стран, успешно использующих теплонасосную технологию, можно объяснить как объективными факторами — развитие энергетики в государстве осуществлялось в основном по пути централизованного теплоснабжения и теплофикации, так и субъективными — недостаточным вниманием конкретных предприятий к экономии топливно-энергетических ресурсов. К главным причинам относятся также отсутствие демонстрационного парка работающих ТНУ различного функционального назначения и рекламы их достоинств, а также отсутствие государственной поддержки при разработке, исследованиях и внедрении данного типа оборудования.
В Украине создание и внедрение ТНУ базируется в основном на энтузиазме исполнителей.

В НПП «Инсолар» совместно с ИПМаш НАН Украины создана серия тепловых насосов для технологических процессов сушки. Сушильные установки были и остаются на сегодня наиболее рациональной областью внедрения теплонасосной технологии для подготовки сушильного агента. Теплонасосные сушильные установки были созданы в блочном и агрегатном исполнении с одно- и двухконтурной рециркуляцией сушильного агента. Они были успешно применены для мягкой сушки древесины, керамики, гипсовых форм, овощей и фруктов, лекарственных трав, продуктов питания.
Лабораторные и промышленные испытания показали, что энергозатраты на 1 кг удаляемой влаги могут быть снижены в 2-4 раза по сравнению с традиционной конвективной сушилкой. Возможна реализация высокоэффективной сушки обезвоженным воздухом, независимо от погодных и сезонных условий при полном исключении влияния канцерогенов на высушиваемые продукты. Совместное использование тепла и холода, производимого в ТНУ, позволяет в сушильной многофункциональной установке охлаждать высушенный материал, что очень важно при сушке продуктов, лекарственных трав, семенного и товарного зерна и другого сырья сельскохозяйственного производства. Для осушения воздуха без его конечного охлаждения была создана серия теплонасосных осушителей воздуха. Принцип работы заключался в охлаждении воздуха ниже точки росы в испарителе, отводе влаги из воздуха и последующем подогреве его в конденсаторе ТНУ перед подачей потребителю.
Проблема осушения, очистки и поддержания оптимальных температур воздуха актуальна в медицине, при производстве сверхточных электронных приборов и оборудования, при создании благоприятных условий реализации технологических процессов в химическом производстве, при осушении воздуха в складских помещениях, в мастерских, для создания благоприятных условий труда, отдыха и быта.
Надежность в работе, простота конструкции и эксплуатации, не требующая сложных коммуникаций, многофункциональность, экологическая чистота, низкие энергозатраты, возможность автоматического поддержания заданного режима по температуре и относительной влажности в помещении были подтверждены при испытаниях созданных образцов в лабораторных и промышленных условиях. Технико-экономические расчеты показывают, что затраты топлива в системах теплоснабжения на базе ТНУ для объектов ЖКХ могут быть уменьшены по сравнению с крупными отопительными котельными в 1,2-1,8 раз, по сравнению с мелкими котельными и индивидуальными теплогенераторами в 2-2,6 раза и по сравнению с электронагревателями в 3-3,6 раза.
Срок окупаемости капиталовложений в ТНУ обычно составляет от 2 до 5 лет. В системах с рекуперацией теплоты низкопотенциальных сбросных энергопотоков сроки окупаемости могут быть менее 2 лет. Например, капиталовложения в систему обеспечения оптимального температурно-влажностного режима в типовом крытом бассейне, разработанную НПП «Инсолар» на базе ТНУ и утилизаторов теплоты сбросных воздушных и водяных потоков и внедренную в бассейне «Нефтяник» г. Ахтырка Сумской области, окупились за 18 месяцев эксплуатации. При этом удалось почти в 8 раз снизить пиковое энергопотребление и исключить бассейн из разряда энергорасточительных объектов.
Применение ТН позволяет снизить выбросы СО₂, NO_X по сравнению с традиционными системами теплоснабжения в 2-5 раз, в зависимости от вида замещаемого органического топлива.

Внедрение энергоисточников на базе ТНУ в автономные системы тепло- и хладоснабжения в областях, где это внедрение рационально и конкурентоспособно, позволит комплексно решить проблемы, актуальные для экономики Украины: энергосбережения, экономическую, экологическую и социальную. До сегодняшнего момента установить тепловой насос рисковали немногие, но самые дальновидные, остальным придется платить дважды.

По материалам украинского представительства Biasi