Тепловой насос
Берет тепло у земли, воды и воздуха
Тепловой насос – это компактная отопительная установка, предназначенная
для автономного обогрева и горячего водоснабжения жилых и производственных
помещений. Система экологически чиста, так как работает без сжигания
топлива и не производит вредных выбросов в атмосферу.
Проблема снижения затрат на отопление, горячее водоснабжение, обогрев
бассейнов в условиях России с ее продолжительными и суровыми зимами достаточно
актуальна на сегодняшний день. Использование для теплоснабжения традиционных
источников энергии требует существенных финансовых затрат. Рост цен на
энергоносители и высокие расходы на их доставку заставляют задумываться
об экономии. Кроме того, основными недостатками традиционных источников
теплоснабжения являются низкая энергетическая (особенно в малых котельных)
и экономическая эффективность. Простое и экономичное решение данной проблемы
– тепловой насос.
Тепловой насос в буквальном смысле качает тепло – тепло земли,
воды или воздуха. Ему не требуется уголь, нефть или газ для того, чтобы
генерировать тепло. Он ничего не сжигает (а значит, ничего «не
выбрасывает» в окружающую среду). Процесс происходит
примерно так: солнце нагревает поверхность земли (или воздух, или воду),
из центра земли у поверхности также поступает тепло. В результате на
глубине от 18 метров положительная температура (до +10) постоянна в
течение года. И это несмотря на то, что температура «на улице»
может достигать 30 градусов.
Тепловой насос позволяет забрать у земли (или воздуха, или воды) то
количество тепла, которое она способна восстановить. А добытое таким
образом тепло утилизировать и направить в систему отопления и горячего
водоснабжения. Иными словами, тепловой насос – холодильник наоборот.
Холодильник забирает холод окружающей среды, а тепловой насос – ее тепло.
В случае с забором тепла у земли это выглядит так: на глубину около
сотни метров пробуривается скважина, в нее опускается зонд, в котором
циркулирует специальная жидкость – рассол. Именно она забирает тепло
земли и транспортирует его наверх. А компрессор теплового насоса повышает
полученные +10 до +65. Электроэнергия требуется лишь для работы приводов.
Коэффициент эффективности теплового насоса 1/4, это значит, что потраченный
один кВт электроэнергии даст в результате 4 кВт тепловой энергии.
Практика показывает, что тепловой насос окупается в течение пяти-семи
отопительных сезонов. За это время можно затратить на сжигаемое топливо
столько денег, сколько стоил этот насос. Но он и дальше будет исправно
давать почти бесплатное тепло еще лет 75, а вот цены на энергоносители
будут неуклонно расти. Кроме того, запасы этих теплоносителей не безграничны.
Для теплового насоса нет ограничений по площади – 50 квадратных
метров или 20 000. Важно сохранить баланс – взять у земли (или воды,
или воздуха) ровно столько тепла, сколько она готова восполнить.
Тепловые насосы для жителей Германии или Швеции не экзотика
и даже уже не передний край науки – это абсолютно рядовое решение теплообеспечения
зданий. Тепловые насосы давно и с успехом применяются в Финляндии, Японии,
США. Вполне возможно, что в этот ряд скоро встанет и Россия.
Тепловой насос имеет четыре основных элемента: испаритель, компрессор,
конденсатор и сбросной клапан. В испарителе хладагент нагревается до
температуры 6–8оС, отобранной из окружающей среды (земли, воды или воздуха),
закипает и испаряется. Полученный пар сжимается компрессором, и при
росте давления температура хладагента поднимается до 35–65оС. Эта температура
отдается через теплообменник конденсатора рабочей жидкости отопительного
контура, и хладагент обратно конденсируется. Сбросной клапан сбрасывает
давление в конденсаторе, перепуская хладагент в испаритель. Цикл замыкается.
Тепловой насос представляет эффективную замену котлу на жидком, газовом
топливе или электрическому отоплению. Для хорошо спроектированного и
построенного дома площадью 180 м2 необходимо 10–12 кВт тепловой энергии,
которую можно получить, опустив два зонда в землю на глубину 100 м,
для этого нужен участок земли размером 6 х 6 м.
Преимущества теплового насоса перед другими источниками теплоснабжения
неоспоримы.
Экономичность
Низкое энергопотребление достигается за счет высокого КПД теплового
насоса (от 300 до 700%) и позволяет получить на 1 кВт затраченной электрической
энергии 3–7 кВт тепловой энергии. Система требует минимум электроэнергии
для поддержания комфортной температуры жилья, а также получения достаточного
запаса горячей воды. Непосредственно в самой установке единственной
движущей частью является компрессор, срок службы которого составляет
15 лет, и который можно легко заменить по истечении срока его эксплуатации.
Отсутствие необходимости в закупке, транспортировке, хранении топлива
и расходе денежных средств, связанных с этим. Высвобождение значительной
территории, необходимой для размещения котельной, подъездных путей и
склада с топливом.
Комфорт
Тепловой насос работает устойчиво. Колебания температуры и влажности
в помещении минимальны. Не требует специальной вентиляции помещений,
где происходит нагрев воды и теплоносителя. Абсолютно взрыво- и пожаробезопасен.
В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании,
возможные манипуляции не требуют специальных навыков и описаны в инструкции.
Систему можно диагностировать на расстоянии и вносить корректировки.
Для этого необходимо иметь линию Интернет. Обслуживание установок заключается
в сезонном техническом осмотре и периодическом контроле режима работы.
Экология
Тепловой насос – экологически чистый метод отопления и кондиционирования,
т. к. при его работе не производится эмиссия CO2, NOХ и других выбросов,
приводящих к нарушению озонового слоя и кислотным дождям. Отсутствуют
аллергено опасные выбросы в помещение, поскольку нет сжигаемого топлива
и не используются запрещенные хладагенты.
Источники тепла и варианты установки тепловых насосов Для рационального
использования тепла из окружающей среды в распоряжении имеются такие
источники тепла, как грунт, вода и воздух. Все они аккумулируют солнечную
энергию.
Источник тепла – грунт
Грунт аккумулирует солнечную энергию. Эта энергия воспринимается грунтом
либо непосредственно в форме солнечной радиации, либо косвенно, в форме
тепла, получаемого от дождя или из воздуха. Грунт имеет свойство сохранять
солнечное тепло в течение длительного времени, что ведет к относительно
равномерному уровню температуры источника тепла на протяжении всего
года, это обеспечивает эксплуатацию теплового насоса с высоким коэффициентом
мощности (к. п. д.).
Аккумулированное грунтом тепло передается вместе со смесью из воды и
антифриза, точка замерзания которой должна находиться примерно на уровне
-15 °С, через горизонтально проложенные грунтовые теплообменники или
через вертикально расположенные грунтовые зонды.
Источник тепла – грунтовые воды
Грунтовые воды – хороший аккумулятор солнечного тепла. Даже в холодные
зимние дни они сохраняют постоянную температуру до +12°С. По причине
неизменного температурного уровня источника тепла коэффициент мощности
теплового насоса остается высоким в течение всего года. Ели грунтовые
воды не содержат кислорода, но содержание железа и марганца в них высокое,
то колодцы могут разрушаться. В этих случаях нельзя допускать контакта
грунтовых вод с окружающим воздухом или необходимо соответствующим образом
обработать воду.
На использование грунтовых вод должно быть получено разрешение соответствующего
ведомства (обычно службы Госводонадзора). Для использования тепла необходимо
построить поглощающий колодец и водопоглощающий или инфильтрационный
колодец.
Источник тепла – воздух
Тепловые насосы воздух/вода в настоящее время могут эксплуатироваться
круглый год, однако при низких температурах коэффициент мощности резко
уменьшается. Окружающий (атмосферный) воздух особенно легко использовать
в качестве источника тепла, поскольку он имеется везде и в неограниченном
количестве.
В случае насосов, использующих тепло окружающего воздуха, расчет размеров
источника тепла задается конструкцией или размером установки. Требуемое
количество воздуха подается вентилятором (который встроен в установку)
на испаритель через воздушные каналы, при этом происходит охлаждение
воздуха.
В качестве примера
В августе 2005 года в городе Чайковском (Удмуртская Республика) на
понтоне бывшей пристани была построена плавучая гостиница для подводных
охотников «Подводный рай» с местом дальнейшей стоянки в пойме Волги.
Учитывая удаленность места расположения гостиницы, высокую стоимость
традиционно используемого для отопления и горячего водоснабжения топлива
(дизельного), компания, проектирующая инженерные системы (ООО «Водолей-Сервис»),
предложила использовать для теплогенерации тепловой насос. Не исключено,
что свою роль здесь сыграла нестандартность самого объекта, которая
в каком-то смысле «спровоцировала» на выбор нетрадиционных (пока еще
являющихся таковыми в России!) инженерных решений.
Строители отмечают, что не все возможности, заложенные в проекте такого
варианта теплоснабжения, удалось реализовать. Например, из-за того,
что работа шла практически «с листа», не был реализован контур холодоснабжения
вентустановки. Теоретически не представляется сложным в летнем режиме
эксплуатации, когда тепловой насос работает только на систему ГВС (пиковые
нагрузки на систему ГВС могут составлять 20–25 кВт), использовать для
охлаждения приточного воздуха низкотемпературный промежуточный контур.
Его холодопроизводительность составляет 20–25 кВт.
Такой вариант использования теплового насоса можно считать практически
идеальным, поскольку он позволяет дополнительно снизить энергозатраты
и на систему кондиционирования. Впрочем, по расчетам проектировщиков,
срок окупаемости теплового насоса даже без системы холодоснабжения не
превысит 2,5-3 года.
Подготовили Владимир Хохлев
и Светлана Соснова
Тел. (3412) 59-3601
спецвыпуск: энергосбережение №7
