Как работает тепловой насос |
|
Помнится детский анекдот, про чукчу, купившего холодильник. На вопрос, зачем ему холодильник, он отвечает: "на улице -40, а в холодильнике -7, буду обогреваться!". Оказывается, в каждой шутке есть доля правды. Обращали внимание на то, что холодильник сзади всегда теплый? Это выхлоп энергии, затрачиваемой на охлаждение воздуха в камере холодильника. Теплота, которая отбирается от охлаждаемых продуктов, теплота, выделяемая при конденсации и замерзании влаги, выделяется из холодильника и обогревает комнату. Именно поэтому кондиционеру, который охлаждает комнату, всегда нужен внешний блок, висящий снаружи - для отвода излишков тепла. Вывернем кондиционер наизнанку, и окажется, что он может с большим успехом служить и для отопления. Вместо того, чтобы напрямую расходовать электроэнергию в электронагревателях, обогревающих дом, может лучше ее использовать для приведения в действие холодильного цикла? Оказывается, это не только возможно, но и экономически целесообразно. Передав тепловой машине работу, эквивалентную 1Дж, мы сможем передать нагревателю целых 10Дж энергии. Чуда при этом не происходит, 9Дж из них будут получены от холодильника. То есть холодная среда (земля, воздух, вода) станет при этом еще немного холоднее. Итак, как же работает тепловой насос: 1. Предположим, что в землю под домом, ниже уровня промерзания почвы у нас уложены трубы. Тогда, теплоноситель, проходя по трубопроводу, нагревается на несколько градусов. Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса. 2. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом- безопасным фреономR-407C. Хладагент, имея очень низкую температуру кипения (+40°С), проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газ. Это происходит при низком давлении и низкой температуре. 3. Из испарителя газообразный хладагент попадает, в компрессор, где он сжимается, при этом повышается его температура. Собственно, только на этом этапе происходит основной расход энергии. 4. Далее горячий хладагент поступает в конденсатор - второй теплообменник. В нем происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из трубопровода внутренней системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, при этом охлаждаясь и снова переходя в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к радиаторам (фанкойлам) внутри дома.
В холодное время года тепловые насосы используются для нагрева воздуха в помещении, а в теплое время года их вполне можно использовать для охлаждения дома. 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. Таким образом, тепловой насос - это фактически тот же холодильник, представляющий собой машину Карно, работающую в обратном направлении. Холодильник перекачивает тепло из охлаждаемого объема в окружающий воздух. Если выставить холодильник на улицу, то, извлекая тепло из наружного воздуха и передавая его во внутрь дома, вполне можно обогревать помещение. В процессе работы электроэнергия расходуется в большей степени на работу компрессора и в меньшей –на насосы, прокачивающие теплоносители через внешний и внутренний контуры. В современных реализациях тепловых насосов на каждый затраченный киловатт-час электроэнергии вырабатывается порядка 5 киловатт-часов тепловой энергии. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты) и служит показателем эффективности теплового насоса. Таким образом, при необходимости обогрева помещения с помощью электроэнергии, тепловой насос дает экономию в 5 (!) раз. Есть выгода в его использовании и при газовом отоплении. |
Тепловые насосы – это будущее в развитии отопления. Солнце - самый мощный источник энергии, оно нагревает воздух, воду, земную поверхность. Но лишь минимальное количество этой "бесплатной" энергии используется в наши дни.
Теплонасосы, как альтернативный и один из самых уникальных источников энергии, предоставляет нам возможность осуществить процесс отопления без загрязнения окружающей среды вредными выбросами и чрезмерного потребления природных ресурсов, одновременно ощутимо уменьшая денежные затраты.
Большинство населения пока не знакомы с понятием "тепловой насос", но постоянно используют тепловые насосы в обычных холодильниках и кондиционерах. Холодильники и кондиционеры стали настолько надежными, удобными и привычными, что мы перестали обращать внимание на их работу. Тепловые насосы не являются какими-то чудесными устройствами, действие которых понимают только продавцы и установщики тепловых насосов. Тепловой насос следует рассматривать как любое другое отопительное устройство, которое используется для производства тепла, и в отношении которого действуют все законы, касающиеся энергии. Как и у каждого способа отопления, у теплового насоса есть свои особенности, сильные и слабые стороны. Теплотехнические расчёты у всех способов получения тепла одинаковые. Правила термодинамики действуют как при дровяном печном отоплении, так и при управляемой через Интернет геотермальной климатической установке.
Тепловые насосы – это новейшие компактные экономичные и экологически чистые системы отопления, которые давным-давно уже используется на западе. Тепловые насосы широко распространены в США, Японии и странах Европейского сообщества. В этих странах установлены даже строительные нормы, которые предусматривают обязательное использование тепловых насосов при строительстве новых домов и зданий. По приблизительным подсчетам установлено около100 млн. тепловыхнасосов во всем мире. Принцип работы теплового насосаотображен в цикле Карно, опубликованном в 1824 г. в его диссертации, и изучается в школьном курсе физики. Практическую теплонасосную систему предложил лорд Кельвин в1852 г. под названием „умножитель тепла”.
Тепловой насос представляетсистему из трех замкнутых контуров:
в первом, внешнем, циркулирует теплоотдатчик (теплоноситель, собирающий тепло окружающей среды),
во втором циркулирует хладагент (вещество, которое испаряется, отбирая тепло у теплоотдатчика, и впоследствии конденсируется, отдавая тепло теплоприемнику),
в третьем циркулирует теплоприемник (вода в системах отопления и горячего водоснабжения).
Тепловой насос представляет собой обращённую холодильную машину. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель - теплообменным аппаратом, утилизирующим теплоту. Использование тепловых насосов – это экологически чистый метод отопления и кондиционирования, так как здесь используется возобновляемая энергия.
Любой источник тепла можно пустить в дело, будь то грунт, вода или воздух. С развитием тепловых насосов отопление становиться экологически чистым и входит в моду. Рынок отопительного оборудования быстро отреагировал на эту тенденцию. Независимо от того, идет ли речь о каминных печах или, замена привычного газового или жидкотопливного котла нисколько не отражается на уровне жилищного комфорта, но позволяет домовладельцам достичь существенной финансовой экономии.
Энергетическая эффективность теплового насоса очень высока: на один киловатт затраченной электроэнергии тепловой насос выдает 5 киловатт тепловой. Помимо финансовых преимуществ нельзя не принимать во внимание экологический аспект использования тепловые насосов: полное отсутствие выбросов углекислого газа (СО2), что очень немаловажно в настоящее время.
Эти агрегаты взрыво - и пожаробезопасны. Нет топлива и открытого огня, никаких вытяжных труб, отсутствуют опасные газы или смеси – таким образом, взрываться здесь просто нечему. Ни одна деталь не нагревается до температур, способных вызвать воспламенение горючих материалов. Остановки агрегата не приводят к его поломкам или замерзанию жидкостей. В сущности, тепловой насос опасен не более чем холодильник.
Тепловые насосы представляют собой многофункциональные устройства - они используются дляотопления, охлаждения жилых, производственных и торговых помещений, подготовки горячей воды, а также вентиляции зданий с утилизацией тепла отработанного воздуха. Примерно три четверти энергии, необходимой для этих целей, тепловой насос берет из окружающей среды, оставшаяся часть покрывается электрическим током, необходимым для работы компрессора теплового насоса.
Тепловой насос работает бесшумно (не громче холодильника), а погодозависимая автоматика и мультизональный контроль создают желаемый микроклимат в помещениях.
Потребителей чрезвычайно привлекает тот факт, что тепловые насосы избавлены от большинства недостатков централизованного теплоснабжения – так, в отличие от газовых котлов, а также котлов на жидком и твердом топливе, они характеризуются отличными показателями экономичности работы (благодаря уникальному принципу действия), вследствие чего ежемесячные расходы уменьшаются от 2-х до 10 раз. Кроме того, тепловые насосы имеютдлительный срок службы до капитального ремонта до 25 отопительных сезонов и работают полностью в автоматическом режиме. Поэтому наиболее оправдано их применение в энергоэффективных экодомах.
При применении данного оборудования 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.
2. Во-вторых, чем больше разница температур теплоносителей во входном и выходном контурах, тем меньше коэффициент преобразования тепла, то есть меньше экономия электроэнергии. Поэтому более выгодным будет подключение агрегата к низкотемпературным системам отопления. Здесь, прежде всего, имеется в виду обогрев от водяных полов или теплым воздухом, так как при таких условиях температура теплоносителя по медицинским требованиям не должна превышать 35°С.
3. В-третьих, для достижения большей выгоды практикуется эксплуатация тепловых насосов в комплекте 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 будет работать в полную силу всего лишь несколько месяцев, ведь количество очень холодных дней не превышает 25% от длительности отопительного сезона. Поэтому часто мощность теплового насоса устанавливают равной 80% от расчетной отопительной, так как она будет покрывать все потребности дома в тепле до тех пор, пока уличная температура не опустится ниже расчетного уровня (температуры бивалентности), например, минус 25°С.
С этого момента в работу включается второй генератор тепла. Чаще всего таким помощником служит небольшой электронагреватель, но можно поставить и жидкотопливный котел. Возможны и более сложные тепловые бивалентные схемы, например, включение солнечного коллектора. У некоторых серийных систем тепловых насосов и солнечных коллекторов такая возможность предусмотрена в конструкции. В этом случае смешивание тепла, идущего от теплового насоса (достаточно инерционная система) и от солнечного коллектора (малоинерционная система) производится в выравнивающем бойлере.
Источником энергии может быть грунт, вода, вообще любой источник тепла с температурой +1 градус Цельсия и выше, доступный в зимнее время. Внешний контур, собирающий тепло окружающей среды, представляет собой полиэтиленовый трубопровод, уложенный в землю или в воду.
Таким образом, различают следующие типы насосов:
Грунт-вода.
Грунт – это, пожалуй, наиболее универсальный источник рассеянного тепла. Он аккумулирует солнечную энергию и подогревается изнутри от земного ядра. При этом он всегда «под ногами» и способен отдавать тепло вне зависимости от погоды, ведь на глубине 5-7 м температура практически постоянна в течение всего года. Необходимая энергия собирается теплообменником, заглубленным в землю, и аккумулируется в носителе, который затем насосом подается в испаритель и возвращается обратно за новой порцией тепла. В качестве такого переносчика энергии используют незамерзающую жидкость на основе.
Существует два типа коллекторов:
горизонтальный коллектор и грунтовый зонд.
Выбор зависит от особенностей каждого участка, его площади, геологии.
Горизонтальный представляет собой длинную трубу, горизонтально уложенную под слоем грунта. При использовании в качестве источника тепла участка земли трубопровод зарывается в землю на глубину 1 м.
Минимальное расстояние между соседними трубопроводами 0,8-1 м.
Предпочтения к грунту — желательно использовать участок с влажным грунтом, идеально с близкими грунтовыми водами, однако сухой грунт не является помехой — это приводит лишь к увеличению длины контура. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода 20-30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длинной350-450 метров, для укладки такого контура потребуется участок земли площадью около 400 кв. метров (20х20 м.). Желательно укладывать контур ниже уровня промерзания почвы — глубина в 1,5-2м является оптимальной. Что касается садовой растительности — при правильном расчете контур не оказывает влияния на зеленые насаждения.
Грунтовые зонды (вертикальные коллекторы) – это системы длинных труб, опускаемых в глубокую скважину (50-100м). Здесь нужно совсем немного земли, зато требуются дорогостоящие бурильные работы. При использовании в качестве источника тепла скалистой породы трубопровод опускается в скважину. Не обязательно использовать одну глубокую скважину, можно пробурить несколько неглубоких, более дешевых скважин, главное получить общую расчетную глубину. Для предварительных расчетов можно использовать следующее соотношение – на 1 метр скважины приходится 50-60Вт тепловой энергии. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимы скважиныобщей глубиной 170 метров.
Вода-вода.
Если поблизости находится озеро, река или большой водоем, водоемное тепло является хорошим альтернативным вариантом. Коллектор опускают на дно, и тепло извлекают даже в холодные зимние дни. Источником тепла в данном типе тепловых насосов могут быть поверхностные (реки, озера) или почвенные воды (скважины), а также сбросовая вода технологических установок. Сами насосы почти не отличаются от тех, которые работают на земляном контуре. Но благодаря более высокой температуре теплоносителя зимой годовая эффективность применения устройств типа «вода-вода» оказывается наивысшей.
Воздух-вода.
По универсальности применения в наших климатических условиях этот тип насосов пока проигрывает другим разновидностям. Хотя сами насосы дешевле, и прокладки труб или бурения скважин не требуется, из морозного воздуха много тепла не отберешь. Поэтому такие тепловыенасосы рекомендуется использовать только в южных областях и в Крыму, где максимальная температура зимой не опускается ниже -15 °С.
Пассивное и активное кондиционирование
Принцип холодоснабжения очень прост. В зимнее время тепловой насос трансформирует тепло из окружающей среды для использования в стандартной системе отопления. Летом, наоборот, холод из скважины (7-9 градусов) используется, чтобы создать необходимый климат в помещениях дома. Фанкойлы подключается к внешнему коллектору, а принцип работы системы холодоснабжения такой же, как и системы отопления, за исключением того, что вместо радиаторов используются Фанкойлы.
После определения типа насоса, можно переходить к разрешению проблемы его установки. Чтобы установить в доме систему отопления на основе теплового насоса, советуем вам обратиться в организацию, имеющую опыт установки и наладки такого оборудования.
В России нет нормативно-правовой базы, регулирующей правила установки геотермальныхтеплонасосов. Поэтому целесообразно пользоваться требованиями, технологией и рекомендациями изготовителей оборудования и нормативно-правовой базой Европейского сообщества.
Для подбора теплонасосной системы для конкретного здания, вы как его владелец должны представить специалистам компании следующую информацию:
1. Генплан участка с указанием на территории строений и деревьев;
2. Поэтажный план здания с указанием высоты и площади отапливаемых помещений;
3. Данные о материалах, из которых изготовлены стены и крыша, с указанием толщины слоев в конструкциях;
4. Данные об окнах, а именно количество оконных проемов и их размеры, материал, из которого изготовлены рамы, количество воздушных камер и качество стекол в стеклопакетах;
5. Имеющаяся электрическая мощность в кВт;
6. Планируемое отопление (радиаторное, «теплый пол» или смешанное).
На основе предоставленной информации специалисты оценивают теплопотери здания и подбирают оборудования необходимой мощности. Отдельно рассматривается возможность использования теплового насоса для подготовки горячей воды и кондиционирования воздуха в летний период. Конечно, это влечет за собой установку дополнительного оборудования, и, следовательно, усложнение системы и увеличение ее сметной стоимости. Однако обнадеживает тот факт, что вы получите «все и сразу», причем, не прикладывая ни малейших усилий – всю работу за вас выполнят профессионалы. Поэтому побеспокоиться вам придется только об одном – о выборе фирмы-производителя теплового насоса.
Несмотря на то, что в странах СНГ с тепловыми насосами потребители знакомы мало, на рынках России, кроме отечественной продукции, представлена продукция многих Европейских стран, такихкак Германия, Австрия, Швеция, Финляндия и др. Обратите внимание на то, что не все компании кроме продажи оборудования, могут осуществлять работы по его установке. Выбирайте те, кто устанавливает оборудование. Это значительно экономит ваше время - вы получаете продукцию и услуги «из одних рук».
Широкому распространению тепловых насосов в России мешает недостаточная информированность населения. Потенциальных покупателей пугают довольно высокие первоначальные затраты: стоимость насоса без монтажа системы составляет около $1000 на 1 кВт необходимой мощности отопления. Но грамотный расчет убедительно доказывает экономическую целесообразность применения этих установок. С учетом ежегодного роста тарифов в нашей стране на газ и э/энергию, капиталовложения окупаютсяв среднем за 4-6 лет, а служат тепловые насосы 20-25 лет.
