На сегодняшний день человечество начинает осознавать проблему нарастающего дефицита невозобновляемых природных энергоресурсов. Цены на них неудержимо растут и будут расти в дальнейшем, а внедрение энергосберегающих технологий генерации тепла и использование нетрадиционных и возобновляемых энергоисточников становится не только популярным, но и жизненно необходимым. В данной статье рассмотрены перспективы развития установок, использующих энергию возобновляемых ресурсов как источник тепловой энергии, их основные типы, особенности монтажа, описан принцип работы теплового насоса, приведены основные достоинства и недостатки теплонасосных установок.
Ключевые слова: тепловой насос, скважина, зонд, фреон, отопление, хладагент.
Today humanity is becoming aware of the problem of an increasing deficit of non-renewable natural energy resources. Their prices are growing uncontrollably and will continue to grow, and the introduction of energy-saving technologies for heat generation and the use of non-traditional and renewable energy sources is becoming not only popular, but also vital. This article discusses the prospects for the development of plants using renewable energy as a source of thermal energy, their main types, installation features, describes the principle of the heat pump, describes the main advantages and disadvantages of heat pump systems.
Keywords: heat pump, well, probe, freon, heating, refrigerant.
По опыту последствий энергетических кризисов, многие развитые страны заблаговременно готовили свою экономику к существованию в эпоху ограниченного количества запасов нефти и газа. Например, в Швеции в 1970 году более
80 % тепловой энергии вырабатывалось из ископаемого углеводородного топлива, а к 2009 году в результате внедрения энергосберегающих технологий и перехода на нетрадиционные источники энергии данный показатель снизился до 37 %. Одним из путей достижения таких результатов стало широкомасштабное внедрение тепловых насосов [1].
Тепловым насосом называется установка, в которой низкопотенциальная природная энергия или низкотемпературная энергия вторичных энергоресурсов преобразуется в энергию более высокого температурного потенциала, пригодную для практического использования. Процессы преобразования энергии в теплонасосной установке осуществляются с высокой энергетической эффективностью. Обычно в правильно сконструированной и грамотно эксплуатируемой установке на 1 кВт·ч затраченной электрической энергии потребителю может быть передано 3–5 и более кВт·ч генерируемой тепловой энергии. Теплонасосные установки являются экологически чистыми, удобными в эксплуатации, универсальными по виду низкопотенциального источника и уровню производимой мощности, полностью автоматизированными и с длительным сроком службы.
Достоинства теплонасосных установок обусловили их широкое распространение в мире. Десятки миллионов успешно работающих в мире теплонасосных установок различного функционального назначения сделали сегодня эту технологию производства теплоты привычной, надёжной и экономически целесообразной для её пользователей.
Теплоту, генерируемую в теплонасосной установке, рационально использовать, прежде всего, в жилищно-коммунальном секторе экономики, где дорогое и дефицитное органическое топливо потребляется в огромных количествах.
Широкомасштабное использование тепловых насосов является стержнем энергосберегающей политики большинства стран ЕС, Америки, Азии, Австралии. Стабильно увеличивающиеся число внедренных тепловых насосов в системах теплоснабжения односемейных и многоквартирных жилых домов, административных, социальных и промышленных зданий, в технологических процессах промышленности и сельского хозяйства способствует успешному решению злободневных проблем экономического (снижение применения органического топлива), экологического (снижение загрязнения окружающей среды) и социального (снижение тарифов на коммунальные услуги и создание комфортных условий жизни и работы) характера.
Тепловой насос — это система, с помощью которой можно переносить тепло от менее нагретого тела к более нагретому, увеличивая температуру последнего. Тепловые насосы являются альтернативными источниками энергии, позволяющими получать дешевое тепло без вреда для окружающей среды. Принцип работы бытового теплового насоса основан на том факте, что любое тело с температурой выше абсолютного нуля обладает запасом тепловой энергии. Этот запас прямо пропорционален массе и удельной теплоемкости тела. Если в этом контексте обратить внимание, например, на моря, океаны, подземные воды, обладающие огромной массой, можно прийти к выводу, что их грандиозные запасы тепловой энергии можно частично использовать для отопления домов без ущерба мировой экологической обстановке. «Взять» тепловую энергию какого-либо тела можно, если охладить его.
Конструктивно любой тепловой насос состоит из двух частей: наружной, которая «забирает» тепло возобновляемых источников, и внутренней, которая отдает это тепло в систему отопления или кондиционирования вашего дома. Современные тепловые насосы отличаются высокой энергоэффективностью, что в практическом плане означает следующее — потребитель, т. е. владелец дома, используя тепловой насос, тратит на обогрев или охлаждение своего жилища, в среднем, всего четверть тех денег, которые он потратил бы, если теплового насоса не было.
Иначе говоря, в системе с тепловым насосом 75 % полезного тепла (или холода) обеспечивается за счет бесплатных источников — тепла земли, грунтовых вод или нагретого в помещениях и выбрасываемого на улицу использованного воздуха.
Эффективность использования тепловых насосов
На каждый 1 кВт электроэнергии, потребляемой тепловым насосом для работы его компрессора, в среднем, вырабатывается около 4 кВт полезной тепловой энергии. Это соответствует 300 % эффективности.
Реальные значения эффективности тепловых насосов зависят от температурных условий, т. е. в холодные дни их эффективность падает. Она составляет порядка 150 % при температуре − 20 °C, и порядка 300 % при температуре источника +7 °C. Но технологии не стоят на месте — современные модели отличаются большей энергоэффективностью, причем эта тенденция сохраняется.
Типы тепловых насосов
Бытовые тепловые насосы бывают 3-х основных типов, различающихся по внешнему источнику тепла:
– «грунтовые» или «грунт-вода», «грунт-воздух»;
– «водяные» или «вода-вода», «вода-воздух»;
– «воздушные» или «воздух-вода», «воздух-воздух».
«Грунтовые» тепловые насосы
Самые популярные — это тепловые насосы, использующие тепло земли. Это самые эффективные, но и самые дорогие из всех типов. Дело в том, что температура грунта под землей в любое время года составляет +7–8°С. Трубы, уходящие под землю, могут располагаться вертикально или горизонтально. В зависимости от этого, «грунтовые» тепловые насосы делятся на вертикальные и горизонтальные.
Вертикальные тепловые насосы требуют погружения труб, по которым циркулирует хладагент на значительную глубину: 50–200 м. Правда, есть альтернатива — сделать не одну такую скважину, а несколько, но более «мелких». Расстояние между такими скважинами должно быть не менее 10 м. Этот вид теплообменника лучше горизонтальных тем, что на такой глубине температура больше. Если скважина очень глубокая, то теплообменник оснащается еще защитной обсадной трубой, а если глубина сравнительно не большая, то это не обязательно. Но значительным недостатком такого способа размещения коллектора является высокая стоимость такой скважины.
При горизонтальной укладке дорогостоящее бурение на большую глубину не требуется. Глубина заложения трубопроводов при этом способе — около 1 м, в зависимости от региона установки эта величина может как уменьшаться, так и увеличиваться. Труба с хладагентом при этом способе укладывается так, чтобы расстояние между соседними участками было не менее полутора метров, иначе сбор тепла не эффективен.
Площадь, на которую устанавливается горизонтальный коллектор грунтового теплового насоса достаточно большая, в отличие от вертикального варианта, на который нужен небольшой участок земли. Как правило, горизонтальный теплообменник занимает от 25 до 50 м2, а может и больше, в зависимости от отапливаемой площади. Негативным фактором этого варианта является то, что территория с этим коллектором может использоваться только под газон [2].
Зависимо от различных обстоятельств теплообменник может укладываться зигзагом, петлями, змейкой и т. д. Очень важно, какая теплопроводность у грунта, в который устанавливается теплообменник. Это зависит от качества земли, например, если почва влажная, то теплопроводность высокая, а если почва песчаная, то теплопроводность ниже. Если есть много петель в теплообменнике, то в комплектации обязательно должен быть циркуляционный насос.
Технология обогрева дома с помощью грунтового теплового насоса
Для того, чтобы описать принцип работы теплового насоса, его устройство можно разделить на четыре основных элемента:
- компрессор, который сжимает хладагент для повышения его давления и температуры.
- расширительный клапан — терморегулирующий вентиль, который резко понижает давление хладагента.
- испаритель — теплообменник, в котором хладагент с низкой температурой поглощает тепло от окружающей среды.
- конденсатор — теплообменник, в котором уже горячий хладагент после сжатия передает тепло в рабочую среду отопительного контура.
Следовательно, рабочий цикл теплового насоса можно разделить на следующие четыре этапа:
- Поглощение тепла из окружающей среды (кипение хладагента).
В испаритель (теплообменник) поступает хладагент, который находится в жидком состоянии и имеет низкое давление. При низкой температуре хладагент способен закипать и испаряться. Процесс испарения необходим для того, чтобы вещество поглотило тепло. Согласно второму закону термодинамики тепло передается от тела с высокой температурой к телу с более низкой температурой. Именно на этом этапе работы теплового насоса хладагент с низкой температурой проходя по теплообменнику отбирает тепло от теплоносителя (рассола), который ранее поднялся из скважин, где отобрал низкопотенциальное тепло грунта.
- Сжатие хладагента компрессором.
На этом этапе хладагент в газообразном состоянии попадает в компрессор, где компрессор сжимает фреон, который за счет резкого увеличения давления нагревается до определенной температуры. Фреон — это вещество, которое относится к искусственным синтезированным газам. Этот газ используется не только в работе грунтового устройства грунт вода, но также в конструкции холодильников и кондиционеров. Когда фреон нагревается до +30 С°, он начинает закипать и переходит в газообразное состояние. В компрессоре он сжимается до 26 атмосфер.
Именно под воздействием такого давления температура этих газов поднимается до +600 С°, а иногда и до +750 С°.
- Передача тепла в систему отопления (конденсация).
После сжатия в компрессоре хладагент, который имеет высокую температуру поступает в конденсатор. В данном случае конденсатор — это тоже теплообменник, в котором во время конденсации происходит отдача тепла от хладагента к рабочей среде отопительного контура (например воде в системе теплых полов, или радиаторов отопления). В конденсаторе хладагент из газовой фазы снова переходит в жидкую. Этот процесс сопровождается выделением тепла, которое используется для системы отопления в доме и горячего водоснабжения (ГВС). Но когда происходит теплоотдача воде в системе отопления, то теряется от 10 до 150°.
- Понижение давления хладагента (расширение).
Отдав тепло, фреон остывает, показатель давления опускается до 4 атмосфер. Это так называемый эффект дросселирования. Далее происходит полное охлаждение до 0 С°, и фреон переходит опять в жидкое состояние. Теперь жидкий хладагент нужно подготовить к повторению рабочего цикла. Для этого хладагент проходит через узкое отверстие терморегулирующего вентиля (расширительного клапана). После «продавливания» через узкое отверстие дросселя хладагент расширяется, вследствие чего падает его температура и давление.
Преимущества и недостатки тепловых насосов
Главным достоинством тепловых насосов являются их низкие эксплуатационные расходы. Т. е. стоимость произведенного тепла или охлаждения для конечного потребителя является самой низкой по сравнению с другими способами отопления/кондиционирования. Кроме этого, система с тепловым насосом практически безопасна для дома. Следовательно, упрощаются требования к системам вентиляции его помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Что также положительно влияет на стоимость установки этих систем [3].
Но есть у них и минусы, главный из которых является оборотной стороной главного плюса — капитальные затраты на их установку весьма существенны. Также одним из основных недостатков тепловых насосов до недавнего времени была сравнительно низкая температура теплоносителя — не более 60 C°. Но последние разработки дали возможность устранить этот недостаток. Правда, и цена на такие модели выше, чем на стандартные.
Литература:
- Поляков В. В., Скворцов Л. С. Насосы и вентиляторы: Учебник для вузов. М.: Стройиз-дат., 1990.
- Мартыновский В. С. Тепловые насосы. М.-Л.: Госэнергонздат, 1955 г.
- Грунтовые тепловые насосы. URL: http://altalgroup.ru/informatsiya/gruntovyj-teplovoj-nasos
