You are using an outdated browser. For a faster, safer browsing experience, upgrade for free today.

Области применения тепловых насосов

Современная наука плотно занимается вопросом сохранения не возобновляемых ресурсов и разработки систем, способных преобразовывать энергию неиссякаемых источников - солнца, воздуха, земли, воды – в ресурсы для жизнедеятельности человека, такие как отопление и водоснабжение.

Активное внедрение новых методов происходит во всех цивилизованных странах мира. Одним из современных устройств, позволяющих потреблять тепло и горячую воду с минимальными энергозатратами, является тепловой насос. Такая установка широко популярна на Западе, в России и европейских странах.

Конструкция теплового насоса

Тепловой насос – преобразователь низкопотенциальной энергии в тепло. Иными словами, такое устройство способно для получения тепла задействовать возобновляемый потенциал ресурсов.

К примеру, грунт, вода и даже воздух хранят в себе потрясающий тепловой потенциал. Обнаружить и использовать его возможно при помощи определенных физических преобразований. Таким образом, низкопотенциальная тепловая энергия становится высокопотенциальной.

Тепловой насос – это установка, в которой между собой сообщаются три контура. Первый контур называют коллектором. Его функция – поглощение и доставка низкопотенциальной энергии из воды, грунта или воздуха при помощи циркулирующего антифриза, незамерзающей жидкости-теплоотдатчика. Антифриз собирает тепло и передает его во второй контур, непосредственно, внутрь теплового насоса.

По второму контуру циркулирует теплообменник – хладагент, или углекислота или углеводороды. По мере движения хладагента по контуру тепловая энергия преобразуется в тепло, которое могут потреблять приборы – котлы, радиаторы, сплит-системы и прочие.

Третий контур как раз и есть те самые отопительные и водонагревательные приборы, установленные внутри здания. То есть, системы, которые используются для подачи тепла и воды в дом или промышленный цех.

Главное преимущество теплового насоса – получение большего количества тепловой энергии с использованием меньшего количества электроэнергии из сети. Соотношение между ними может быть впечатляющим. К примеру, против 2 кВт, ограниченно поставляемых муниципальными сетями в дачные поселки, тепловой насос может выработать 4-6 кВт тепла в зависимости от мощности.

Мы расскажем, как работает тепловой насос. Это не волшебное устройство, чудесным образом приумножающее энергию, но достижение высоких технологий нашей с вами эпохи.

Как работает тепловой насос

На самом деле, тепловой насос – это не вновь изобретенный велосипед. По принципу действия он напоминает холодильник, только работает в обратную сторону.

Тогда как холодильник выводит наружу тепло от вновь поставленных продуктов и после открытия дверцы в холодильной и морозильной камере для поддержания низкой температуры, тепловой насос, наоборот, заводит тепло внутрь. Но принцип работы один и тот же, за исключением некоторых нюансов.

Элементами связки в теплонасосной установке являются испаритель, компрессор, конденсатор, расширяющий клапан дроссель. Это и есть тот самый второй контур установки, о котором шла речь выше.

Когда теплоотдатчик первого контура – антифриз – поставляет низкопотенциальную энергию в тепловой насос, хладагент с низким давлением после прохождения дросселя попадает в испаритель. Под воздействием испарителя углекислота или углеводород испаряется, поглощает тепло и принимает газообразную форму, благодаря тому, что имеет низкую температуру кипения.

В таком состоянии вещество доходит до компрессора. В компрессоре хладагент (углекислота или углеводороды) сжимается, набирает температуру и попадает в конденсатор, откуда после передачи тепла третьему контуру следует уже в жидком охлажденном состоянии. В это время теплоотдатчик совершает новый круг забора тепловой энергии и вновь передает низкопотенциальную энергию второму контуру. Далее цикл передвижения веществ, в науке называемый циклом Карно, повторяется еще и еще.

С помощью теплового насоса можно охлаждать помещение, если подключить систему в обратном порядке. Первый контур будет забирать тепло из здания, и выпускать его наружу через второй контур. Зная схему работы теплового насоса, вы уже можете себе представить, в какой последовательности будет двигаться хладагент-теплообменник.

Типы теплового насоса

В настоящее время все тепловые насосы делят на два основных типа – геотермальные и аэротермальные. Они используют разные источники забора низкопотенциальной энергии.

Геотермальные тепловые насосы

Это теплонасосные установки, первый контур которых монтируется на участке в земле или водоемах.

То есть, в данном случае используется энергия грунта, грунтовых и наземных вод. Поскольку температура такой энергии очень низкая, необходимо устройство, которое может повысить ее до оптимальной для водонагрева и отопления температуры 50-100 градусов. Именно для этого и предназначены геотермальные теплонасосные установки.

Трубопровод для геотермальных тепловых насосов можно устанавливать горизонтально, используя максимум свободной площади участка, или вертикально, применяя под установку минимум пространства за счет большой глубины скважин и установки вертикального модульного коллектора коаксиального типа.

В настоящее время геотермальные тепловые насосы не пользуются большой популярностью из-за высокой стоимости монтажа. Чтобы монтировать такую установку, необходимо специальное буровое оборудование или землекопное оборудование в зависимости от типа установки.

Аэротермальные тепловые насосы

Значительную долю рынка у геотермальных моделей отвоевали аэротермальные установки, или воздушные. Они более легкие в монтаже и менее дорогостоящие, не требующие специального оборудования.

Экономия аэротермальных теплонасосных установок состоит еще и в том, что для их работы не нужен массивный трубопровод из недешевых и громоздких труб с циркулирующим теплоотдатчиком. Забор наружного воздуха осуществляется посредством насоса.

Моновалентные и бивалентные системы отопления

Системы отопления делятся на моновалентные и бивалентные. Их разница состоит в возможности или невозможности взаимодействия разных отопительных установок.

Само определение таких систем подразумевает то, что в моновалентных системах существует только один источник выработки тепла. Тогда как в бивалентных отопительных системах спокойно могут сосуществовать и взаимодействовать две установки. Например, газовый котел и тепловой насос.

Бивалентные системы отопления, как минимум, в 2 раза эффективнее и надежнее моновалентных систем. Одна из причин – возможность перерабатывать энергию в условиях любой температуры. К примеру, тепловой насос может преобразовывать низкопотенциальную энергию грунта и воздуха при температуре до -25 градусов. При более низкой температуре компенсировать недовыработанное насосом тепло можно с помощью газового или жидкотопливного котла.

Преимущества теплового насоса

В сравнении с другими отопительными системами у теплонасосных установок насчитывается масса преимуществ. Подытоживая информацию о принципе работы тепловых насосов, определим основные выгоды, которые можно получить, установив такое устройство в загородном доме или на даче:

  1. Постоянный поток энергии. Тепловой насос использует возобновляемый природный источник для получения тепла.

  2. Экономия. В процессе работы теплового насоса набираются небольшие растраты электроэнергии и, соответственно, средств на оплату коммунальных услуг. Питание необходимо, по большей части, компрессору, который сжимает хладагент.

  3. Экологичность. Тепловой насос не требует топлива, поэтому не загрязняет окружающую среду, работает без шума, пыли и не выделяет посторонних запахов. Даже хладагент фреон, будучи вредным, заменен на безвредные вещества углекислоту и углеводороды.

  4. Эргономичность. Установленный тепловой насос не занимает много места. В особенности, если это аэротермальная установка, не требующая свободного пространства для организации полей забора энергии.

  5. Универсальность. Тепловой насос может работать в двух направлениях – на отопление и кондиционирование.

  6. Долговечность. Срок службы тепловых насосов составляет 10 лет и более.

  7. Неприхотливость. Тепловой насос работает без дополнительного технического обслуживания. Максимум, что может понадобиться в течение всех лет его эксплуатации, - плановый осмотр.

  8. Высокая эффективность. Тепловой насос имеет КПД, равный 300%.

Среди других достоинств тепловых насосов стоит отметить безопасность и возможность применения в любом помещении. Для такой установки не нужно хранить пожароопасные вещества типа топлива. Ровно так же с тепловым насосом не страшна утечка газа.

Тепловой насос можно применять для отопления, водоснабжения и кондиционирования любого здания, будь то промышленность или частный дом. Диапазон мощностей таких установок весьма широк.

И чтобы ваше представление о тепловых насосах не было заоблачным, отметим недостатки. Это высокая стоимость установки и, несмотря на потребление энергии возобновляемых ресурсов, необходимость в сетевом электричестве.

Тем не менее, тепловой насос окупается относительно быстро - за скромный срок 3-5 лет. Тогда как продолжительность эксплуатации таких устройств насчитывает 12-15 лет, что позволяет не только окупить, но и далее существенно сократить расходы на тепло и горячую воду.

Источники тепла для теплового насоса

Одно из преимуществ теплового насоса, которое мы упоминали, связано с использованием и переработкой энергии возобновляемого источника. В разных случаях и условиях строительства используют тепло грунта, скважины, водоема и воздуха. Мы решили объединить источники в таблице, указав особенности монтажа, преимущества и недостатки каждого из вариантов.

Источник

Монтаж

Преимущества

Недостатки

Грунт

Первый контур теплового насоса – коллектор. Он укладывается в грунт на определенной глубине, но не выше уровня промерзания. При покупке и монтаже оборудования учитывают необходимую мощность, состояние грунта и уровень солнечной радиации.

Температуры грунта стабильны. Монтаж горизонтального коллектора не требует бурения и, соответственно, больших расходов. Расположение коллектора не препятствует ведению садоводческой деятельности.

Чем суше грунт, тем мощнее и дороже должен быть первый контур теплового насоса.

Коллектор занимает много пространства на участке.

По техническим причинам над коллектором нельзя возводить постройки, поскольку сооружения могут препятствовать восстановлению тепловых запасов грунта.

Скважина

Первый контур теплового насоса – коллектор, но в виде геотермального зонда. Он располагается вертикально и имеет вид неразборного модуля с коаксиальными трубками. Для установки бурят одну или несколько скважин глубиной до 100 м. Перед покупкой и монтажом оборудования рассчитывают глубину с учетом необходимой мощности и состояния грунта.

Занимает минимум места, поэтому хорош для маленьких участков. Температура в скважине стабильна.

Монтаж требует больше денежных средств, поскольку для бурения используют специальную технику и инструмент, привлекают специалистов.

Водоем

Первый контур теплового насоса, как в случае с грунтом, - горизонтальный коллектор. Он укладывается на дно водоема и фиксируется специальными грузами. Перед покупкой и установкой оборудования рассчитывают требуемую мощность и количество труб в коллекторе, учитывают уровень солнечной радиации.

Температура воды стабильна. Такая установка не занимает места на участке и не требует больших расходов на монтаж.

Обязательное условие – расположение водоема на расстоянии не более 50 м.

Воздух

Первый контур такого теплового насоса – это, непосредственно, сам насос с испарителем, компрессором, конденсатором и расширительным клапаном. Монтаж коллектора не требуется. Перед установкой рассчитывают требуемую мощность с учетом климатических особенностей конкретного региона.

Самая простая в конструкции и монтаже установка, не требующая дополнительных затрат на коллектор, специальный инструмент и условия.

Зависимость от температуры воздуха, которая может сильно колебаться в холодных регионах.

Итак, преимущества и недостатки разных тепловых насосов очевидны. При выборе той или иной установки необходимо опираться на условия участка, особенности климата, бюджет и требования к мощности. Большую роль играют обстоятельства. К примеру, если возле участка расположен водоем, то было бы недальновидно не воспользоваться таким бесплатным ресурсом.

Важно, планируете ли вы использовать тепловой насос, как альтернативный запас тепла, или как полноценный источник отопления и горячего водоснабжения. Для постоянного снабжения теплом в требуемом количестве частного дома необходима надежная мощная установка, способная подавать тепло круглый год без перебоев.

Особенности применения грунта как источника тепла

Грунт является одним из самых эффективных источников низкопотенциальной энергии. Установлено, что в зимнее время года из недр земли на глубине 3-8 метров можно без применения дополнительных мер заполучить количество энергии, необходимое для отопления 2-3 кв.м. Тогда как в летний период можно с помощью аккумуляции извлечь из грунта количество энергии, которая позволила бы отопить 10 кв.м. помещения.

Были сделаны расчеты рабочего тела – антифриза, необходимого для забора энергии, и площади грунта, необходимо для отопления и горячего водоснабжения отдельного дома. Результаты оказались очень оптимистичными.

К сожалению, теоретические данные не совпадают с реальностью из-за динамики температур, которая оказывает серьезное влияние на распределение тепла и, соответственно, на количество забираемой энергии.

Почему за основу взята именно глубина грунта 3-8 метров? На основании многочисленных исследований, в ходе которых было установлено, что именно такой диапазон глубин более подвержен изменению температур под влиянием изменения температуры воздуха. Разница температур может в разное время года составлять 7 градусов и более. При этом существует минимально допустимая температура, занижение которой может стать причиной остановки в работе теплонасосной установки. Но именно глубина грунта 3-8 метров является наиболее приемлемой и экономичной для монтажа коллектора теплового насоса.

Сегодня достаточно популярны паровые тепловые насосы, в которых применяются хладоны различных марок. Марку хладона выбирают в зависимости от температурного режима в цикле преобразования энергии. Паровые тепловые насосы являются примером того, насколько сильна зависимость от температурного режима. Занижение нормы негативно сказывается на их работе и служит причиной отключения насосных установок.

В ходе очередных геологических и инженерных исследований было установлено, что грунт на глубине залегания более 8 метров проявляет инертность в плане динамики температур. Тепло более или менее равномерно рассеивается в толще грунта. Разность температур составляет приблизительно 2 градуса. Причина – влияние более глубоких слоев грунта на этот грунтовый слой. Но такая глубина не является комфортной из-за большого сопротивления грунта и затратна для монтажа.

Факт влияния глубины грунта, времени года и, следовательно, динамики температур на эффективность работы теплового насоса получил серьезные доказательства. Их нашли инженеры в ходе замеров температур грунта, проводимых в течение одного года на разных глубинах.

Стало совершенно очевидно, что мощности теплового насоса рассчитывают с учетом именно этих показателей. Для выполнения правильных расчетов необходимо проведение исследований на участке, термодинамического и технико-экономического анализа, как отдельного оборудования, так и установок в целом.

Для наглядности ниже приведем формулу равенства баланса тепла, поглощенного коллектором из грунта и полученного рабочей средой насоса, с показателями динамики температур (высчитывается интегрально) и расхода тепла через сечение коллектора.

, где:

Т – текущая температура рабочей среды;

Tg – температура грунта;

R – суммарная величина сопротивления отдачи тепла из коллектора тепловому насосу;

Cr – теплоемкость рабочей среды;

М – расход тепла в поперечном сечении коллектора;

dT – динамика температуры на конкретном участке.

От чего зависит температура грунта? Не только от глубины. На температуру грунта влияет множество факторов:

  • Тип и состав грунта;

  • Характер и объем растительности;

  • Объем и характер осадков;

  • Геология местности;

  • Климатические условия региона;

  • Глубина залегания грунтовых вод и др.

Таким образом, природные особенности и взаимосвязи играют важную роль в установке теплового насоса. Чтобы эффективность теплонасосных установок была наибольшей, необходимо концентрировать низкопотенциальную энергию.

Для этого удобно и эффективно использовать энергию грунтовых вод. Подземные потоки, как любая вода, обладают хорошими теплофизическими свойствами. В ходе расчетов установлено, что для отопления дома площадью 250 кв.м. с помощью теплового насоса необходимо всего 10 куб.м. подземных вод/ч. То есть, КПД теплового насоса может составить 260-270%. При том, что испаритель при таких условиях будет обладать достаточной компактностью и простой изготовления.

Для концентрации низкопотенциальной энергии грунта также можно применять термосифоны. Исследования подтверждают, что увеличение диаметра трубы термосифона уменьшает сопротивляемость грунта отдаче тепла, в том числе, на большой глубине.

Результаты многочисленных опытов, замеров, исследований и практики позволяют сделать вывод, что разработка тепловых насосов находится далеко не на завершающей стадии. Возможно, через несколько лет удастся значительно увеличить площадь грунта для забора низкопотенциальной энергии, найти пути более точного расчета запаса энергии в грунте и требуемой мощности теплонасосных установок.

Тем самым, еще больше сократить расходы электроэнергии, увеличить количество потребляемого тепла, продлить срок службы тепловых насосов и сэкономить народные средства, необходимые для оплаты отопления и горячего водоснабжения.

Индивидуальное применение тепловых насосов

Тепловые насосы все чаще применяют в частном секторе для отопления и горячего водоснабжения коттеджей, частных домов, таунхаусов, дуплексов, дач и других жилых помещений. Выгода состоит не только в экономии электроэнергии, но также в возможности вообще не зависть от коммунальных услуг муниципалитета.

Еще несколько преимуществ установки тепловых насосов. Прежде всего, стоит отметить универсальность таких систем. Зимой тепловой насос может работать, как обогрев и нагреватель воды, летом - как кондиционер, но при этом снабжающий дом горячей водой. Теплонасосная установка хорошо взаимодействует с теплыми полами и может обогревать бассейн.

На даче такая установка может стать полезной не только для отопления домика, но также для отопления теплиц в зимнее время года.

Установка тепловых насосов осуществляется в короткие сроки. Для монтажа теплонасосной системы отопления не нужно посещать жилищно-коммунальные структуры, чтобы согласовать это мероприятие.

Тепловые насосы в промышленности и муниципалитете

Тепловые насосы устанавливают в промышленные цеха, на склады и завода. Их с успехом используют в фермерском хозяйстве, и для отопления теплиц в сельскохозяйственной сфере деятельности.

Порой для отопления и водоснабжения промышленных помещений и зданий используют несколько тепловых насосов, которые подключают между собой по принципу каскада. Такие установки позволяют существенно экономить на электроэнергии.

В муниципалитете тепловые насосы также встречаются очень часто. Сейчас практически в каждом большом городе есть аквапарки и спортивные комплексы с бассейнами. Для обогрева зданий комплексов, воды в бассейнах и аквапарках успешно устанавливают тепловые насосы.

Тепловые насосы для отопления и горячего водоснабжения также применяют АЗС.

Применение тепловых насосов в разных странах

Тепловые насосы получили широкое применение в разных странах. Россия находится далеко не на первом месте в этом списке.

Лидером по количеству теплонасосных установок можно по праву назвать Швецию, которая на 95% отапливается именно при помощи тепловых насосов. Самая мощная система ТНС-320 установлена в городе Стокгольм, столице этой страны.

Широким применением тепловых насосов отличаются такие страны, как США, Скандинавия, Япония, Германия. Эти государства также занимают лидирующие позиции. Доказательствами являются внушительные цифры.

Допустим, в США разработкой и производством тепловых насосов занимается более 60 исследовательских организаций. В Японии выпускают более 500 000 теплонасосных установок. Показатели Германии на этот счет тоже очень оптимистичные, как и в других странах Европы.

Надеемся, что и Россия сможет достичь больших показателей в этой области. А если у вас возникли вопросы, связанные с покупкой и установкой тепловых насосов, обратитесь за грамотной консультацией в компанию «НСиА». Мы уже очень давно работаем в сфере альтернативных технологий и обладаем большими знаниями на этот счет.