Тепло без топлива

Рис. 1 Установка теплового насоса в котельной

Например, в такой стране с северным климатом, как Швеция, с помощью тепловых насосов вырабатывается до 70 % тепловой энергии, использующейся в системах отопления и ГВС. В России этот метод получения тепла из природных возобновляемых источников энергии пока не имеет столь широкого распространения. Однако, использование тепловых насосов для теплоснабжения  российских коттеджей, объектов социального назначения, отдельно стоящих зданий имеют действительную перспективу, подкрепляемую практикой.

Без вреда экологии

Столь высокая популярность теплонасосов во многих странах определяется рядом существенных их преимуществ - высокой энергоэффективностью, высокой экологичностью, надежностью в эксплуатации.

Экологичности в этом ряду отводится первое место. Тепловой насос нельзя даже назвать теплогенератором, он забирает тепло недр Земли, подземных источников, грунтовых вод; солнечное тепло, накопленное литосферой, гидросферой и атмосферой; тепло промышленных сточных вод и вентилируемого воздуха, а отобрав, передает его теплоносителю системы теплоснабжения и ГВС.

Таким образом, работа теплонасоса не только не сказывается на экологии среды, но и сохраняет энергетические ресурсы, реализуя потенциал возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Функционирование теплового насоса все-таки предусматривает потребление электроэнергии для работы компрессора и циркуляционных насосов, но в принципе и необходимое для этого электричество можно получать не с помощью ТЭЦ, а вырабатывать с помощью ветрогенераторов или солнечных батарей. Сегодня такие решения предлагают инжиниринговые компании и на российском рынке.

Высокая эффективность

В зависимости от используемого источника тепла и типа отопительной системы теплонасосная установка производит в 3-5 раз больше тепловой энергии, чем сама потребляет электроэнергии. Точнее - не производит, а добывает из внешней среды, .

Эффективность работы теплового насоса оценивает «множительный коэффициент» (МК), его также называют коэффициентом преобразования (КП) теплового насоса или коэффициентом трансформации (КТ). Общепринятая  аббревиатура для коэффициента трансформации тепловых насосов COP (coefficient of preformance). COP – безразмерная единица, которая является важнейшей характеристикой теплового насоса, связанной с режимом эксплуатации, характеризующимся внешней низкой  температурой низкопотенциального контура и внутренней высокой температурой высокопотенциального контура. COP – безразмерная величина, измеряемая в единицах от 1 до 7, которая означает, что данный тепловой насос в заданном режиме на 1кВт затраченной электрической энергии вырабатывает величину тепловой энергии (n кВт), численно равную коэффициенту трансформации:

COP=Q /N,

где:

Q – теплопроизводительность теплового насоса, кВт,

N – потребляемая электрическая мощность теплового насоса, кВт.

 На сегодняшний день лучшие тепловые насосы (геотермальные)  в условиях нашей широты выдают среднегодовой коэффициент трансформации (СОР) в пределах от 4,2 до 5,2.

Работой теплового насоса управляет автоматика, обеспечивающая надежность функционирования. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют специальных навыков и доступны пользователю.

Еще одно преимущество обогрева с помощью теплового насоса - индивидуальный подбор установки для каждого потребителя, который включает выбор стабильного и экономически выгодного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, сочетаемости с другими способами обогрева и обогревательными приборами.

Модуль теплонасоса компактен (рис.1), не требует специально оборудованного помещения  и работает практически бесшумно.

Холодильник для обогрева

Преимущества тепловых насосов обусловлены  их принципом действия, который позволяет утилизировать тепло из природных и техногенных источников с температурой от 2 0С и выше. При этом перенос тепловой энергии к теплоносителю, характеризующемуся в нормальных условиях более высокой температурой, чем источник, осуществляется с затратой энергии, аналогично тому, как это происходит в холодильных установках.

Рис. 2 Принцип работы теплового насоса

Принципиально вся установка теплового насоса (рис. 2) состоит:

• из системы хладагента, предназначенной для забора низкотемпературного тепла из окружающей среды и транспортировки его с циркулирующей жидкостью непосредственно в тепловой насос;
• из оборудования теплового насоса, с помощью которого происходит концентрирование, отобранной от источника тепловой энергии с передачей теплоносителю систем отопления и ГВС;
• из трубопроводов и приборов системы отопления и ГВС для доставки тепла к потребителю.

Как и холодильники существуют парокомпрессионные и абсорбционные типы тепловых насосов. Наибольшее распространение в мире получили парокомпрессионные тепловые насосы, на долю которых среди действующих в мире установок приходится 95%. В таких агрегатах тепло от низкопотенциального источника (например, вода из скважины) забирается теплоносителем с еще более низкой температурой - хладагентом. В качестве хладагента используется моноэтиленгликоль, пропиленгликоль либо этанол, а также их смеси, в которые добавлены ингибиторы коррозии с целью предотвращения ее в соединительных деталях и трубопроводах. Наиболее предпочтительными являются пропиленгликоль и хладагент на базе этанола, которые, при попадании в окружающую среду, не наносят ущерба природе. Тепло, отобранное хладагентом от низкопотенциального источника, поступает в испаритель теплового насоса и расходуется на испарение рабочего тела (например, фреона) установки. Таким образом, энергия от низкопотенциального источника вводится в термодинамический цикл. Затем пары фреона сжимаются в компрессоре и за счет этого нагреваются до 80-95 0С – полученное из низкопотенциального источника тепло переводится на высокий температурный уровень. Далее фреон поступает в конденсатор и при конденсации отдает тепловую энергию в систему отопления. Затем уже жидкий, но еще теплый (55-65 0С) фреон проходит через теплообменник, где отдает тепло воде ГВС. В завершении цикла фреон подается обратно в испаритель под таким давлением, что может закипать при  низкой температуре исходного теплоносителя. И цикл повторяется.

Подход к теплу

В соответствии с тем, какой конкретный источник используется для утилизации тепла и какой теплоноситель функционирует в выходном контуре, выделяют типы тепловых насосов: «грунт—вода», «вода—вода», «воздух—вода», «грунт—воздух», «вода—воздух», «воздух—воздух».

Рис. 3 «Сбор» тепла геотермальными тепловыми насосами

Тепловые насосы  «грунт-вода», «грунт-воздух»  могут забирать тепло, как из почвенного слоя, так и с большей глубины из скважин (рис 3). В условиях России наиболее дешёвым и реализуемым источником тепла является почвенный коллектор (рис. 4), не смотря даже на требуемый для его прокладки большой объём земляных работ. Трубы почвенного коллектора размещаются в поверхностном слое земли ниже глубины промерзания. В зависимости от тяжести грунта скорость прокладки коллектора составляет от 100 до 200 м в сутки.

Рис. 4 Почвенный коллектор геотермального теплового насоса

В различных исполнениях трубы коллектора могут заполняться как промежуточным теплоносителем (хладагентом), так и непосредственно рабочим телом насоса (не содержащие хлора фреоны с низкой температурой кипения). В последнем случае отпадает необходимость в промежуточном теплообменнике и циркуляционном насосе, однако коллектор приходится выполнять в защитной оболочке с целью предупреждения повреждения и загрязнения почвы или грунтовых вод фреоном.

Применяются коллекторы с одним и несколькими контурами, в зависимости от требуемого количества тепла и установленного теплового насоса. Длина одного контура технически определяется мощностью используемого в тепловом насосе циркуляционного насоса системы хладагента и может достигать 400 – 700 м. В то же время площадь поверхности земли, с которой будет собираться тепло с помощью коллектора, зависит от требуемого количества тепла, используемой мощности теплового насоса и типа грунта. Для современно жилого дома с отапливаемой площадью в 200 м² под основание коллектора обычно требуется 450-500 м² площади поверхности земли. Для больших потребностей в тепле требуются и большие площади под основание коллектора.

Срок службы почвенного коллектора очень большой. Фактором риска для безремонтной эксплуатации является неосмотрительное проведение землекопных работ в зоне нахождения почвенного коллектора.

Рис. 5 Геотермальный зонд

Для забора тепла с глубины с помощью геотермальных зондов (рис. 5), бурят скважины (рис.6). Как правило, к этому способу обращаются в том случае, когда нет возможности выделить под прокладку почвенного коллектора необходимую площадь земной поверхности. При этом можно бурить одну глубокую скважину или несколько неглубоких, так чтобы в сумме получить расчетную глубину, необходимую для выработки требуемого количества тепла. В скважины укладывается петля из трубки (шланга) коллектора, в которой циркулирует раствор полипропиленгликоля или этанола. Следует помнить, что даже с таким теплоносителем в условиях суровой русской зимы грунтовый коллектор может зимой замёрзнуть, особенно если  из-за экономии средств глубина бурения оказывается не слишком глубокой.

Рис. 6 Геотермальный зонд в скважине

 Эффективности преобразования тепла с помощью геотермальных зондов обеспечивает на выходе в среднем на 1 м пог. скважины 50-60 Вт тепловой энергии. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим буровой колодец глубиной 170 м. У коллектора, расположенного в буровом колодце, наиболее эффективно работает часть, находящаяся в грунтовых водах, температура которых в России в среднем составляет +5оС. Для покрытия потребности в тепле жилого дома площадью 160-200 м2 в буровом колодце должно быть, как минимум, 120-140 м водяного столба. В случае если грунтовые воды находятся очень глубоко используют сухие буровые колодцы, общая длина которых должна быть на 30-40 % больше, чем в случае буровых колодцев с водой. После укладки трубы коллектора в пробуренную скважину сухого колодца и заполнения трубопровода хладагентом, обратно в буровой колодец и по возможности более плотно засыпается  выбуренный грунт. В отдельных случаях в качестве скважин используют фундаментные сваи зданий.

Трубопровод коллектора от бурового колодца в жилой дом прокладывается в грунте на глубине 1 м в теплоизоляции – с целью минимизации теплопотерь на этом пути.

Рис. 7 Прокладка коллектора в открытом водоёме

Прокладка коллектора по дну открытого водоема (рис. 7) оправдана в случае, когда водоем находится в непосредственной близости обогреваемого объекта (не далее 100 м). В экономическом смысле такой вариант можно считать наиболее выгодным. Относительно высокая температура окружающей среды (даже зимой температура воды подо льдом водоема всегда положительная) и высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосом определяют меньшую длину внешнего контура по сравнению, например, с почвенным коллектором. Прокладка такого коллектора не требует больших земляных работ. Трубы коллектора удерживаются на дне водоема грузами в 17-20 кг, расположенными через каждые три метра. Грузы также удерживают отдельные контуры коллектора на требуемом расстоянии друг от друга. У береговой линии трубы коллектора закапывают в землю ниже глубины промерзания. После прохождения грунта коллекторы соединяются с тепловым насосом. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода, уложенного по дну водоема, составляет — 30 Вт.

Тепло вентилируемого воздуха используется в тепловых насосах вытяжной вентиляции. Для этого  применяется специальная модель теплового насоса с воздушным теплообменником. Тепло из воздуха для системы отопления и горячего водоснабжения также можно собирать на производственных предприятиях. Вентиляционные тепловые насосы используются в небольших жилых домах, где нет возможности сооружения контура грунтового коллектора.  Такое решение обеспечит существенную экономию при нагреве отопительной и бытовой воды, в районах с холодным климатом его можно сочетать с работой другого теплогенератора.

Рис. 8 Наружный блок воздушного теплового насоса на фасаде загородного дома

Тепловые насосы «воздух-воздух, «воздух-вода» (их ещё называют «воздушными тепловыми насосами») по принципиальной конструкции не отличаются от кондиционеров воздуха (рис. 8). Более того, большинство современных кондиционеров воздуха могут работать в режиме теплового насоса. Для подогрева воздуха такие модели оснащаются реверсивным компрессором, позволяющим запускать кондиционеры по обратному циклу. В режиме охлаждения реверсивный кондиционер «выкачивает» тепло из помещения и перемещает его на улицу. При работе на обогрев происходит обратный процесс: тепловая энергия отбирается у наружного воздуха и переправляется в помещение. В этом случае испаритель становится конденсатором, а конденсатор – испарителем.

Воздушный тепловой насос – это тот же реверсивный инверторный кондиционер, работающий по обратному циклу, только более мощный и адаптированный к работе на обогрев при низких температурах воздуха.

Низкие температуры в холодный сезон сказываются на эффективности работы воздушных тепловых насосов. Чем ниже температура наружного воздуха, тем больше потребуется потратить электроэнергии на перенос тепла. При COP, приближающимся к единице, обогрев тепловым насосом становится нерациональным.

Однако коэффициент преобразования может быть повышен, если меньше энергии будет тратиться на работу мотора компрессора. Поэтому инверторные модели предоставляют большие возможности для работы на обогрев помещения. Именно кондиционеры инверторного типа позволили создать агрегаты, позиционирующиеся на рынке как тепловые насосы «воздух-воздух» и «воздух-вода». Конструктивной особенностью таких приборов является электронный инверторный блок, позволяющий плавно менять скорость вращения мотора компрессора при изменении выходной мощности.

Тепловые насосы Mitsubishi Electric Zubadan могут эксплуатироваться согласно заявлениям производителя и при –25 ^оС, теряя при этом лишь 20 % теплопроизводительности. При –15 ^оС коэффициент преобразования.этих моделей составляет 4,0. Разумеется, что в теплый сезон любой воздушный тепловой насос может применяться и для холодоснабжения.

Преимущества воздушных тепловых насосов – более низкая себестоимость, простота монтажа и эксплуатации, по сравнению с геотермальными тепловыми насосами, отсутствие необходимости земляных работ и геологических изысканий.

Работа в комплексе

Отношение затраченной электроэнергии к выработанной тепловой энергии тепловым насосом  во многом зависит от системы отопления, для которой поставляет тепло тепловой насос: чем меньше расчетная температура теплоносителя, тем больше эффективность теплового насоса. Поэтому тепловые насосы  хорошо сочетаются с низкотемпературными обогревательными приборами и в, частности,  с теплыми полами, температура теплоносителя которых составляет 30 – 45 ^оС. В данном случае эффективное преобразование тепла ВИЭ с относительно не высокими энергозатратами дополняется экономным расходованием тепла. В одной системе отопления  теплонасосные установки удачно дополняются солнечными коллекторами. Правда, подключать их к системе теплового насоса возможно только через аккумуляционный бак, чтобы избежать смешивания хладагентов с разными уровнями холодостойкости. Требуется использование смесительного узла и соответствующей автоматики, для предотвращения попадания в испаритель теплового насоса теплоносителя с температурой выше +20^оС. Все это удорожает систему, однако весной, когда почва значительно остывает за зиму,  солнечный коллектор делает работу теплового насоса значительно более эффективной.