Тепловые насосы
В качестве альтернативного источника тепла может использоваться не только солнечная энергия, но и энергия земли. Сделать это помогут устройства, называемые тепловыми насосами. Принцип их действия, который можно назвать «холодильником наоборот», был разработан еще полтора столетия назад. Однако лишь в начале этого века, когда цены на энергоносители резко пошли вверх, а ограниченность запасов природных ресурсов стала очевидной, такой принцип теплоснабжения оказался необходимым и эффективным решением. Сегодня тепловые насосы – это наиболее современная технология отопления, доведенная до стадии массового производства.
Тепловым насосом называется устройство, преобразующее низкотемпературное тепло источника в высокотемпературное тепло, необходимое для отопления помещения. При этом источником тепла может быть не только земля, но и вода, воздух. Наиболее распространенными тепловыми насосами являются те, которые используют энергию земли. Обусловлено это наилучшим сочетанием цены и потребительских качеств таких устройств, эффективностью их применения.
Эффективность, правда, зависит также и от способа обогревания дома, степени его утепленности, герметичности окон и т. п. Наиболее рациональным является применение низкотемпературных систем отопления, например, так называемых «теплых полов». Связано это с низкотемпературным режимом нагревания воды тепловым насосом, а значит, традиционные радиаторы потребуются увеличенного размера.
Тепловым насосам также требуется электроэнергия, но, затратив 1 кВт электроэнергии на работу компрессора и насосов, Вы получите 3-5 кВт тепловой энергии. При этом в летний период тепловой насос, при наличии реверсивного режима работы, может охлаждать воздух в помещении.
Как уже упоминалось, использоваться могут различные источники энергии. Именно с ними, а также с тем, какой среде тепло передается, связана наи- более распространенная классификация тепловых насосов. Они бывают следующих типов: «вода -вода»», «грунт – воздух», «вода – воздух», «воздух -вода» и «воздух – воздух». Например, насосы типа «грунт – вода» используют тепловую энергию земли и передают ее для обогревания дома через систему водяного отопления.
Грунт одновременно аккумулирует солнечную энергию и подогревается от земного ядра. Он всегда «под ногами» и может отдавать свое тепло вне зависимости от капризов погоды, а на глубине ниже 10 м температура практически постоянна в течение всего года и в любой точке нашей страны. Энергия, отобранная от земли, аккумулируется носителем, в качестве которого чаще всего используется незамерзающая жидкость-антифриз, называемая также «рассолом». Опускаясь вниз по теплообменнику, «рассол» отбирает у грунта тепло (примерно 3-4 °С) и передает его фреону, циркулирующему во внутреннем контуре теплового насоса. Фреон, проходя через каналы испарителя, закипает и испаряется. Образовавшийся при этом пар поступает в компрессор, сжимается там (при этом температура его повышается), после чего горячий и сжатый пар направляется в теплообменник конденсатора, где охлаждается, передавая тепло воде. Вода используется в системе отопления и горячего водоснабжения, а жидкий фреон стекает на дно конденсатора, откуда, за счет перепада давлений, через дроссель возвращается в испаритель. Цикл завершен и повторяется снова и снова.
Грунтовые тепловые насосы часто классифицируют также как тепловой насос «рассол – вода». Теплообменник в тепловых насосах типа «грунт вода» бывает двух видов: горизонтальный коллектор и грунтовый зонд. Оба они выполняются преимущественно из полиэтиленовых либо других пластиковых труб диаметром 25-40 мм. И чем больше диаметр, тем лучше осуществляется отбор тепла, однако увеличивается и стоимость системы. Горизонтальный коллектор отбирает тепло, накопленное в верхних слоях почвы в результате солнечного излучения, и представляет собой несколько контуров пластиковых труб, уложенных под слоем грунта.
Для эффективной работы системы, исходя из особенностей грунта, его теплопроводности и геометрии участка, выбирается определенная схема укладки труб – петля, змейка, зигзаг, плоские и винтовые спирали разных форм.Эффективность теплообмена увеличивается на влажных грунтах и уменьшается на сухих песчаных участках, но в среднем для отопления дома площадью 150-200 кв. м придется уложить приблизительно 400-650 м трубопровода несколькими петлями-контурами. Для этого нужен участок площадью примерно 300-400 кв. м, то есть в 1,5-2 раза больше, чем отапливаемая площадь дома. Необходимость в большом пространстве, незанятом строениями, является главным недостатком системы этого типа. Использовать такой участок можно только в качестве лужайки или цветника.
Главным преимуществом этого метода является сравнительная простота монтажа и то, что при прочих равных условиях работы по монтажу оборудования обойдутся немного дешевле, чем бурение скважин, необходимых для оборудования системы по следующему методу.
Грунтовые зонды представляют собой систему длинных труб, опускаемых в скважины глубиной до 50-200 м. В этом случае не требуется большой участок свободной земли, но приходится выполнять дорогостоящие бурильные работы. Зато на большой глубине температура грунта выше, потому эффективность теплообмена при использовании таких труб выше, чем горизонтального коллектора. Разница в эффективности работы тепловых насосов, использующих грунтовые зонды и коллекторы, составляет около 20 %.
Конструкции зонда бывают разные, но чаще всего применяется U-образная. В этом случае трубы герметично соединяются внизу, образуя длинный U-образный канал, заполненный антифризом, причем в зонде может быть две и больше петель. По одной линии «рассол» подается циркуляционным насосом вниз, по другой поднимается вверх, к испарителю. Пространство в скважине вокруг зонда заполняется буровым раствором или цементно-бетонной смесью для защиты труб от повреждений и улучшения теплопередачи. Для дома площадью 150-200 кв. м понадобится 5-6 скважин глубиной около 50 м, при этом располагать их следует не ближе 2 м от стены дома, чтобы не повредить фундамент. Также скважины не должны находиться на одной линии течения подземных вод. В противном случае эффективность теплового насоса резко уменьшится, ведь из скважины в скважину будет перемещаться одна и та же охлажденная вода, от которой уже была отобрана тепловая энергия.
В тепловых насосах, работающих по принципу «грунт – воздух», тепловая энергия также отбирается у грунта и через компрессор напрямую передается воздуху, который используется для отопления зданий. Вода также привлекательный источник тепла, довольно стабильный и очень эффективный, но водоемы есть не у каждого дома. Если же рядом с домом имеется река или пруд, то можно использовать тепловой насос, работающий по схеме «вода-вода». Для этого из водоема отбирается мощным насосом вода, которая прокачивается через первичный теплообменник теплового насоса (вместо рассола), отдавая свою тепловую энергию фреону, и сбрасывается затем в этот же (или другой, близкорасположенный) водоем. По энергоэффективности такой тепловой насос наиболее экономичный. Впрочем, в силу загрязненности внешней воды необходимо предпринимать меры для ее предварительной очистки перед подачей в тепловой насос и, ско рее всего, периодически чистить теплообменник. Поэтому в мире тепловые насосы типа «вода -вода» используются нечасто и занимают менее 10 % рынка. На практике водоем обычно используют так: на дно водоема укладывается конструкция, подобная грунтовому коллектору. Такой «подводный» коллектор притапливается грузом либо устанавливается в донном грунте, температура которого чуть выше, чем температура воды. Получается обычный тепловой насос типа «рассол – вода», использующий тепло воды внешнего водоема. В случае работы теплового насоса по принципу «вода – воздух» тепловая энергия передается воздуху, распределяемому потом по отапливаемым помещениям.
Системы типа «воздух – воздух» и «воздух – вода» схожи по принципу работы с кондиционерами и стоят существенно дешевле, но проигрывают другим видам насосов по универсальности, ведь из морозного воздуха много тепла не отберешь, и применяться они могут в первую очередь для нагревания горячей воды. Выполняться такие устройства могут в двух вариантах: сплит или моно. В первом случае установка состоит из двух блоков, соединенных инженерными коммуникациями: в состав наружного входят мощный вентилятор и испаритель, внутренний содержит конденсатор и автоматику. При этом компрессор может располагаться как во внутреннем блоке, так и в наружном, чтобы избежать шума в помещении. Во втором случае все элементы собираются в едином корпусе и монтируются либо в доме, соединяясь с улицей гибким воздуховодом, либо снаружи.
У тепловых насосов есть целый ряд преимуществ. Так, система очень долговечна, сами насосы работают по 20-25 лет (на многие компрессоры производители декларируют срок эксплуатации не менее 25 лет), после чего компрессор насоса может быть заменен и система продолжит свою работу. Кроме того, системы тепловых насосов безопасны, поскольку отсутствуют топливо, открытый огонь и опасные газы, и комфортны. И, конечно же, большим преимуществом является экологическая чистота системы, ведь тепловые насосы не образуют вредные окислы, применяемые в них фреоны не содержат хлороуглеродов и озонобезопасны. Широкое применение тепловых насосов существенно сокращает необходимость в электроэнергии, а соответственно, и расход топлива на ее производство. Наконец, важна экономичность тепловых насосов, которая достигается за счет высокого КПД системы.
Отметим, что, выбирая тепловой насос, не стоит заказывать оборудование максимальной мощности, чтобы покрыть возможные пиковые нагрузки на систему отопления при самых сильных морозах. Это неоправданно дорого и не имеет смысла: количество действительно холодных дней обычно не превышает двух-трех недель за год, и выбирать стоит насос, мощность которого составляет 60-80% от максимальной. Для покрытия пиковых нагрузок можно установить резервный котел с традиционным видом топлива либо использовать встроенные в тепловые насосы ТЭНы, которые могут включаться по очереди (их режим работы может определяться специальным алгоритмом, который программируется пользователем), добавляя системе тепловую мощность.
Конечно, сейчас первоначальные затраты на систему отопления на основе теплового насоса достаточно высоки, причем еще столько же, если не больше, потребуется затратить на обустройство системы. Однако если смотреть в будущее в разрезе неминуемого повышения цен на традиционнее энергоносители, то за счет низких расходов на отопление можно значительно сократить затраты. Еще больше сэкономить поможет многотарифный счетчик в сочетании с теплоаккумулирующим баком за счет использования электроэнергии, накопленной по более низким тарифам в ночное время.
Если нужно комфортно и надежно отопить небольшой дом или помещение и неподалеку нет газопровода, то тепловой насос – самое лучшее на сегодня решение. И, установив современный тепловой насос от ведущих мировых производителей, Вы еще минимум 20 лет будете с одобрением вспоминать о принятом когда-то решении. Не забывайте и о том, что, используя тепловой насос, Вы вносите пусть небольшой, но реальный вклад в энергосбережение и сохранение чистоты на Земле.
В качестве альтернативного источника тепла может использоваться не только солнечная энергия, но и энергия земли. Сделать это помогут устройства, называемые тепловыми насосами. Принцип их действия, который можно назвать «холодильником наоборот», был разработан еще полтора столетия назад. Однако лишь в начале этого века, когда цены на энергоносители резко пошли вверх, а ограниченность запасов природных ресурсов стала очевидной, такой принцип теплоснабжения оказался необходимым и эффективным решением. Сегодня тепловые насосы – это наиболее современная технология отопления, доведенная до стадии массового производства.
Тепловым насосом называется устройство, преобразующее низкотемпературное тепло источника в высокотемпературное тепло, необходимое для отопления помещения. При этом источником тепла может быть не только земля, но и вода, воздух. Наиболее распространенными тепловыми насосами являются те, которые используют энергию земли. Обусловлено это наилучшим сочетанием цены и потребительских качеств таких устройств, эффективностью их применения.
Эффективность, правда, зависит также и от способа обогревания дома, степени его утепленности, герметичности окон и т. п. Наиболее рациональным является применение низкотемпературных систем отопления, например, так называемых «теплых полов». Связано это с низкотемпературным режимом нагревания воды тепловым насосом, а значит, традиционные радиаторы потребуются увеличенного размера.
Тепловым насосам также требуется электроэнергия, но, затратив 1 кВт электроэнергии на работу компрессора и насосов, Вы получите 3-5 кВт тепловой энергии. При этом в летний период тепловой насос, при наличии реверсивного режима работы, может охлаждать воздух в помещении.
Как уже упоминалось, использоваться могут различные источники энергии. Именно с ними, а также с тем, какой среде тепло передается, связана наи- более распространенная классификация тепловых насосов. Они бывают следующих типов: «вода -вода»», «грунт – воздух», «вода – воздух», «воздух -вода» и «воздух – воздух». Например, насосы типа «грунт – вода» используют тепловую энергию земли и передают ее для обогревания дома через систему водяного отопления.
Грунт одновременно аккумулирует солнечную энергию и подогревается от земного ядра. Он всегда «под ногами» и может отдавать свое тепло вне зависимости от капризов погоды, а на глубине ниже 10 м температура практически постоянна в течение всего года и в любой точке нашей страны. Энергия, отобранная от земли, аккумулируется носителем, в качестве которого чаще всего используется незамерзающая жидкость-антифриз, называемая также «рассолом». Опускаясь вниз по теплообменнику, «рассол» отбирает у грунта тепло (примерно 3-4 °С) и передает его фреону, циркулирующему во внутреннем контуре теплового насоса. Фреон, проходя через каналы испарителя, закипает и испаряется. Образовавшийся при этом пар поступает в компрессор, сжимается там (при этом температура его повышается), после чего горячий и сжатый пар направляется в теплообменник конденсатора, где охлаждается, передавая тепло воде. Вода используется в системе отопления и горячего водоснабжения, а жидкий фреон стекает на дно конденсатора, откуда, за счет перепада давлений, через дроссель возвращается в испаритель. Цикл завершен и повторяется снова и снова.
Грунтовые тепловые насосы часто классифицируют также как тепловой насос «рассол – вода». Теплообменник в тепловых насосах типа «грунт вода» бывает двух видов: горизонтальный коллектор и грунтовый зонд. Оба они выполняются преимущественно из полиэтиленовых либо других пластиковых труб диаметром 25-40 мм. И чем больше диаметр, тем лучше осуществляется отбор тепла, однако увеличивается и стоимость системы. Горизонтальный коллектор отбирает тепло, накопленное в верхних слоях почвы в результате солнечного излучения, и представляет собой несколько контуров пластиковых труб, уложенных под слоем грунта.
Для эффективной работы системы, исходя из особенностей грунта, его теплопроводности и геометрии участка, выбирается определенная схема укладки труб – петля, змейка, зигзаг, плоские и винтовые спирали разных форм.Эффективность теплообмена увеличивается на влажных грунтах и уменьшается на сухих песчаных участках, но в среднем для отопления дома площадью 150-200 кв. м придется уложить приблизительно 400-650 м трубопровода несколькими петлями-контурами. Для этого нужен участок площадью примерно 300-400 кв. м, то есть в 1,5-2 раза больше, чем отапливаемая площадь дома. Необходимость в большом пространстве, незанятом строениями, является главным недостатком системы этого типа. Использовать такой участок можно только в качестве лужайки или цветника.
Главным преимуществом этого метода является сравнительная простота монтажа и то, что при прочих равных условиях работы по монтажу оборудования обойдутся немного дешевле, чем бурение скважин, необходимых для оборудования системы по следующему методу.
Грунтовые зонды представляют собой систему длинных труб, опускаемых в скважины глубиной до 50-200 м. В этом случае не требуется большой участок свободной земли, но приходится выполнять дорогостоящие бурильные работы. Зато на большой глубине температура грунта выше, потому эффективность теплообмена при использовании таких труб выше, чем горизонтального коллектора. Разница в эффективности работы тепловых насосов, использующих грунтовые зонды и коллекторы, составляет около 20 %.
Конструкции зонда бывают разные, но чаще всего применяется U-образная. В этом случае трубы герметично соединяются внизу, образуя длинный U-образный канал, заполненный антифризом, причем в зонде может быть две и больше петель. По одной линии «рассол» подается циркуляционным насосом вниз, по другой поднимается вверх, к испарителю. Пространство в скважине вокруг зонда заполняется буровым раствором или цементно-бетонной смесью для защиты труб от повреждений и улучшения теплопередачи. Для дома площадью 150-200 кв. м понадобится 5-6 скважин глубиной около 50 м, при этом располагать их следует не ближе 2 м от стены дома, чтобы не повредить фундамент. Также скважины не должны находиться на одной линии течения подземных вод. В противном случае эффективность теплового насоса резко уменьшится, ведь из скважины в скважину будет перемещаться одна и та же охлажденная вода, от которой уже была отобрана тепловая энергия.
В тепловых насосах, работающих по принципу «грунт – воздух», тепловая энергия также отбирается у грунта и через компрессор напрямую передается воздуху, который используется для отопления зданий. Вода также привлекательный источник тепла, довольно стабильный и очень эффективный, но водоемы есть не у каждого дома. Если же рядом с домом имеется река или пруд, то можно использовать тепловой насос, работающий по схеме «вода-вода». Для этого из водоема отбирается мощным насосом вода, которая прокачивается через первичный теплообменник теплового насоса (вместо рассола), отдавая свою тепловую энергию фреону, и сбрасывается затем в этот же (или другой, близкорасположенный) водоем. По энергоэффективности такой тепловой насос наиболее экономичный. Впрочем, в силу загрязненности внешней воды необходимо предпринимать меры для ее предварительной очистки перед подачей в тепловой насос и, ско рее всего, периодически чистить теплообменник. Поэтому в мире тепловые насосы типа «вода -вода» используются нечасто и занимают менее 10 % рынка. На практике водоем обычно используют так: на дно водоема укладывается конструкция, подобная грунтовому коллектору. Такой «подводный» коллектор притапливается грузом либо устанавливается в донном грунте, температура которого чуть выше, чем температура воды. Получается обычный тепловой насос типа «рассол – вода», использующий тепло воды внешнего водоема. В случае работы теплового насоса по принципу «вода – воздух» тепловая энергия передается воздуху, распределяемому потом по отапливаемым помещениям.
Системы типа «воздух – воздух» и «воздух – вода» схожи по принципу работы с кондиционерами и стоят существенно дешевле, но проигрывают другим видам насосов по универсальности, ведь из морозного воздуха много тепла не отберешь, и применяться они могут в первую очередь для нагревания горячей воды. Выполняться такие устройства могут в двух вариантах: сплит или моно. В первом случае установка состоит из двух блоков, соединенных инженерными коммуникациями: в состав наружного входят мощный вентилятор и испаритель, внутренний содержит конденсатор и автоматику. При этом компрессор может располагаться как во внутреннем блоке, так и в наружном, чтобы избежать шума в помещении. Во втором случае все элементы собираются в едином корпусе и монтируются либо в доме, соединяясь с улицей гибким воздуховодом, либо снаружи.
У тепловых насосов есть целый ряд преимуществ. Так, система очень долговечна, сами насосы работают по 20-25 лет (на многие компрессоры производители декларируют срок эксплуатации не менее 25 лет), после чего компрессор насоса может быть заменен и система продолжит свою работу. Кроме того, системы тепловых насосов безопасны, поскольку отсутствуют топливо, открытый огонь и опасные газы, и комфортны. И, конечно же, большим преимуществом является экологическая чистота системы, ведь тепловые насосы не образуют вредные окислы, применяемые в них фреоны не содержат хлороуглеродов и озонобезопасны. Широкое применение тепловых насосов существенно сокращает необходимость в электроэнергии, а соответственно, и расход топлива на ее производство. Наконец, важна экономичность тепловых насосов, которая достигается за счет высокого КПД системы.
Отметим, что, выбирая тепловой насос, не стоит заказывать оборудование максимальной мощности, чтобы покрыть возможные пиковые нагрузки на систему отопления при самых сильных морозах. Это неоправданно дорого и не имеет смысла: количество действительно холодных дней обычно не превышает двух-трех недель за год, и выбирать стоит насос, мощность которого составляет 60-80% от максимальной. Для покрытия пиковых нагрузок можно установить резервный котел с традиционным видом топлива либо использовать встроенные в тепловые насосы ТЭНы, которые могут включаться по очереди (их режим работы может определяться специальным алгоритмом, который программируется пользователем), добавляя системе тепловую мощность.
Конечно, сейчас первоначальные затраты на систему отопления на основе теплового насоса достаточно высоки, причем еще столько же, если не больше, потребуется затратить на обустройство системы. Однако если смотреть в будущее в разрезе неминуемого повышения цен на традиционнее энергоносители, то за счет низких расходов на отопление можно значительно сократить затраты. Еще больше сэкономить поможет многотарифный счетчик в сочетании с теплоаккумулирующим баком за счет использования электроэнергии, накопленной по более низким тарифам в ночное время.
Если нужно комфортно и надежно отопить небольшой дом или помещение и неподалеку нет газопровода, то тепловой насос – самое лучшее на сегодня решение. И, установив современный тепловой насос от ведущих мировых производителей, Вы еще минимум 20 лет будете с одобрением вспоминать о принятом когда-то решении. Не забывайте и о том, что, используя тепловой насос, Вы вносите пусть небольшой, но реальный вклад в энергосбережение и сохранение чистоты на Земле.
termotechnika.by