2014-05-08

Теплові насоси

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 голосів)

Теплові насоси

Теплові насоси - це екологічно чисті компактні та економічні установки для системи опалення, що виробляють тепло для подачі гарячої води для водопостачання та опалення будівель використовуючи природне і безкоштовне тепло ґрунту, артезіанських вод, тепло морів, озер, річок, тепло повітря, технологічних викидів і т. д. шляхом перенесення його до теплоносія з більш високою температурою.

Теплові насоси: принцип роботи

Джерелом тепла може бути повітря, скеляста порода, земля, вода і навіть сніг. Мало того, це постійно відбувається всюди, де є звичайнісінький домашній холодильник. Адже теплота, віднімається від продуктів, які охолоджуються, теплота конденсації і теплота замерзання вологи, тобто теплота утворення снігу та його охолодження, виділяється з холодильника і обігріває кімнату. У цьому легко переконатися, приклавши руку до задньої стінки холодильника: вона завжди тепла.

Холодильна машина може з успіхом служити і для опалення. Замість того, щоб прямо витрачати електроенергію на електричні печі, які обігрівають будинок, краще її використовувати для приведення в дію холодильного циклу і опалювати за його допомогою будинок снігом? Це цілком можливо.

Нехай температура снігу на вулиці -3 °С (припустимо, що зима тепла, сутність питання це не змінить, а розрахунок спростить; можна сніг замінити холодною водою з річки або хоч навіть з Льодовитого океану - буде ще вигідніше). Температуру опалювальних приладів у будинку встановимо 27 °С. Різниця між обома температурами дорівнює 30 °С. Абсолютна температура нагрівача 27 + 273 = 300 К. ККД теплової машини, що працює між такими близькими температурними межами, дуже малий - всього лише 0,1 (ККД = 30/300 = 0,1). Це означає, що якщо ми захочемо отримувати в такій машині роботу, то з кожних 10 Дж тепла, отриманих від нагрівача, в найкращому випадку ми можемо перетворити на роботу тільки 1 Дж.

Але якщо ми змусимо ту ж машину працювати у зворотному напрямку, то, витративши роботу, еквівалентну тільки 1 Дж, зможемо передати нагрівачу (печі) цілих 10 Дж, з яких 9 Дж будуть отримані від холодильника (снігу). Чим не справжнє опалення снігом?

Розглянемо як же працюють теплові насоси:

  1. Теплоносій, проходячи по трубопроводу, покладеному, наприклад, в землю нагрівається на кілька градусів. Усередині теплових насосів теплоносій, проходячи через теплообмінник, названий випарником, віддає зібране з навколишнього середовища тепло у внутрішній контур теплового насосу.
  2. Внутрішній контур теплових насосів заповнений холодоагентом. Холодоагент, маючи дуже низьку температуру кипіння, проходячи через випарник, перетворюється з рідкого стану в газ. Це відбувається при низькому тиску і низькій температурі.
  3. З випарника газоподібний холодоагент потрапляє в компресор, де він стискається, його температура підвищується.
  4. Далі гарячий газ поступає в другий теплообмінник (конденсатор). У конденсаторі відбувається теплообмін між гарячим газом і теплоносієм із зворотного трубопроводу системи будинку опалення. Холодоагент віддає своє тепло в систему опалення, охолоджується і знову переходить в рідкий стан, а нагрітий теплоносій системи опалення поступає до опалювальних приладів.
  5. При проходженні холодоагенту через редукційний клапан - тиск знижується, холодоагент потрапляє у випарник, і цикл повторюється знову.

Теплові насоси використовуються в холодну пору року для опалення приміщення, а в теплу пору року їх використовують для охолодження повітря в будинку. Принцип роботи такого насоса при охолодженні приміщення такий же, як і при опаленні. Тільки тепло в цьому випадку забирається з повітря в приміщенні і віддається землі або водоймі.

У даному випадку принцип роботи теплових насосів практично повністю збігається з принципом роботи холодильника.

В загальному теплові насоси - це просто інша назва холодильників, які представляють собою машину Карно, що працюють в зворотному напрямку. Холодильник перекачує тепло з охолоджуваного об'єму в навколишнє повітря. Якщо помістити холодильник на вулиці, то, витягаючи тепло з зовнішнього повітря і передаючи його всередину будинку, то можна таким нехитрим способом обігрівати приміщення.

Теплові насоси: переваги

Висока економічна ефективність

1 кВт витраченої електроенергії виробляє від 2,5 до 4 і більше кВт теплової енергії або 15-25 кВт потужності за охолодженням. Теплові насоси використовують введену в них енергію на порядок ефективніше ніж будь-який котел, що спалює паливо і використовує електричну енергію.

Автономність і універсальність

Робота теплових насосів не залежить від поставок органічного палива і не потрібно прокладати тепло-газо комунікації. Можливість використання в будь-яких кліматичних умовах і в будь-якій місцевості. Навіть за відсутності стаціонарного електропостачання, дизельний або бензиновий генератор потужністю 2-5 кВт здатний за допомогою теплового насоса забезпечити опалення і гаряче водопостачання житлового будинку площею 200-300 м2. В одному комплекті обладнання споживач отримує одночасно систему опалення, охолодження і систему нагріву води.

Екологічна безпека

Екологічно чистий метод опалення та кондиціонування. Під час роботи відсутні шкідливі викиди в навколишнє середовище CO, СO2, NOх, SO2, PbO2, що призводять до руйнування озонового шару, кислотних дощів, не має шкідливого впливу на Ваш організм.

Універсальність (реверсивність) теплових насосів

У холодну пору року теплові насоси обігрівають приміщення, в теплу - видаляють надлишки тепла чи навіть охолоджують його (кондиціонування).

Безпека експлуатації

Відсутність палива - газу, солярки - виключає можливість пожеж, вибухів, витоку небезпечних для здоров'я речовин. Ці агрегати вибухо- і пожежобезпечні. Немає палива, немає відкритого вогню, небезпечних газів або сумішей. Вибухати тут просто нема чому, не можна також учадіти або отруїтися. Жодна деталь не нагрівається до температур, здатних викликати запалення горючих матеріалів. Зупинки агрегату не призводять до його поломок або замерзання рідин. По суті теплові насоси такі ж небезпечні як і холодильники.

Довговічність

Відносна простота пристрою теплових насосів дозволяє їм працювати 20-25 років без капітального ремонту.

Комфорт

Теплові насоси працюють стійко, коливання температури і вологості в приміщенні мінімальні, відсутній шум, застосовується кліматичний контроль.

Не вимагають жодних узгоджень

При монтажі теплових насосів не потрібно ніяких узгоджень, немає паперової тяганини.

Теплові насоси: недоліки

Що стосується недоліків, то до них можна віднести високі первинні витрати на установку теплових насосів в порівнянні з традиційними системами опалення, а також те, що не у всіх випадках установка є можливою і доцільною (навряд чи варто встановлювати тепловий насос для опалення дачного будинку з невеликою площею, який відвідується кілька разів на рік).

Вимоги до джерела енергії

Джерелом енергії може бути ґрунт, скельна порода, озеро, взагалі будь-яке джерело тепла з температурою - 1 градус Цельсія і вище, доступне в зимовий час. Це може бути річка, море, вихід теплого повітря з системи вентиляції або якого-небудь промислового обладнання.

Зовнішній контур, що збирає тепло навколишнього середовища, являє собою поліетиленовий трубопровід, укладений в землю або у воду. Теплоносій - 30% розчин етиленгліколю, етилового спирту або пропіленгліколю.

Свердловина

При використанні в якості джерела тепла скелястої породи трубопровід опускається в свердловину. Не обов'язково використовувати одну глибоку свердловину, можна пробурити кілька неглибоких, більш дешевих свердловин, головне отримати загальну розрахункову глибину.

Для попередніх розрахунків можна використовувати наступне співвідношення - на 1 метр свердловини припадає 50-60 Вт теплової енергії. Таким чином, для установки теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідна свердловина глибиною 170 метрів або кілька менш глибоких свердловин.

Земляний контур

При використанні в якості джерела тепла ділянки землі трубопровід заривається в землю на глибину 1 м. Мінімальна відстань між сусідніми трубопроводами - 0,8 .. 1 м. Спеціальної підготовки ґрунту, засипок і т.п. не потрібно. Вимоги до ґрунту - бажано використовувати ділянку з вологим ґрунтом, ідеально з близькими ґрунтовими водами, проте сухий ґрунт не є перешкодою - це призводить лише до збільшення довжини контуру.

Орієнтовне значення теплової потужності, що припадає на 1 метр трубопроводу 20 .. 30 Вт. Таким чином, для установки теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідний земляний контур довжиною 350 .. 450 метрів, для укладання такого контуру потрібно ділянку землі площею близько 400 кв. метрів (20м * 20м).

Не обов'язково укладати контур нижче рівня промерзання ґрунту - глибина в 1 м є оптимальною. Що стосується садової рослинності - при правильному розрахунку контур не впливає на зелені насадження.

Водоймище

При використанні в якості джерела тепла води найближчого озера, річки контур укладається на дно. Цей варіант є ідеальним з будь-якої точки зору - короткий зовнішній контур, «висока» температура навколишнього середовища (температура води у водоймі взимку завжди позитивна), високий коефіцієнт перетворення енергії тепловим насосом, низька вартість робіт по укладанню.

Орієнтовне значення теплової потужності, що припадає на 1 метр трубопроводу 30 Вт. Таким чином, для установки теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідно укласти в озеро контур довжиною 300 метрів.

Для того щоб трубопровід не спливав, на 1 погонний метр трубопроводу встановлюється близько 5 кг вантажу.

Тепле повітря

Для отримання тепла з теплого повітря, наприклад, з витяжки системи вентиляції, встановлюється спеціальна модель теплових насосів з повітряним теплообмінником. Тепло з повітря для системи опалення та гарячого водопостачання також можна збирати на виробничих підприємствах, наприклад, на хлібопекарнях, підприємствах з виробництва кераміки і т.п. підприємствах з великою кількістю вироблюваного теплого повітря.

Додаткові функції теплових насосів

Гаряче водопостачання

Теплові насоси виробляють тепло не тільки в опалювальний період, тепло для системи гарячого водопостачання виробляється цілий рік. А для середнього заміського будинку витрати на приготування гарячої води становлять близько 15-20 відсотків. Більшість теплових насосів мають вбудований бойлер.

Пікове електродогрівання

Практично у всіх моделях теплових насосів додатково встановлено електронагрівач. Навіщо? Справа в тому, що при виборі опалювальної установки номінальна потужність розраховується виходячи з максимальної потреби тепла, тобто для покриття теплового навантаження в найхолодніший зимовий день.

Однак, виходячи з багаторічних спостережень час стояння такої температури всього лише кілька днів на рік і то не в кожному, а це значить, що при розрахунку на максимальну потужність значна частина потенціалу теплових насосів буде використовуватися дуже рідко. Для вибору співвідношення потужностей теплових насосів/електронагрівачів існує спеціальний інтегральний графік, який, до речі, володіє властивістю універсальності для всіх регіонів України. Така комбінація дозволяє знизити вартість капітальних витрат і збільшити термін окупності теплонасосної установки.

Кондиціонування

Принцип холодопостачання дуже простий. У зимовий час тепловий насос «трансформує» тепло з навколишнього середовища для використання в стандартній системі опалення. Влітку, навпаки, «холод» зі свердловини (7-9 oC) використовується, щоб створити необхідний клімат в приміщеннях будинку. Принцип роботи системи холодопостачання такий же, як і системи опалення, за винятком того, що замість радіаторів використовуються фанкойли.

Пасивне охолодження

При пасивному охолодженні компресор теплового насоса не працює, і теплоносій просто циркулює між свердловиною і фанкойлами. Таким чином, холод зі свердловини прямо надходить у систему кондиціонування.

Активне охолодження

Якщо пасивного охолодження не досить, в системі кондиціонування використовується холод, вироблений тепловим насосом. При цьому автоматично включається компресор теплового насосу, і теплоносій зі свердловини додатково охолоджується тепловим насосом.

Рекуперація енергії витяжного повітря

Ця функція організується у вигляді додаткового зовнішнього контуру-модуля, встановленого у вихідному каналі вентиляції. Особливо корисна ця опція для ресторанів, хлібопекарень та ін. підприємства з підвищеним виділенням тепла. Також для реалізації даної існують окремі невеликі (і недорогі) теплові насоси.

Підігрів басейну, осушення повітря в басейні

Теплові насоси в термінах

Регенеративна енергія - це тепло Землі, енергія Сонця, біомаси, вітру річок і припливів, здатна постійно оновлюватися або збільшуватися в обсягах і тому, за людськими мірками, вважається невичерпною.

Теплонасосна установка складається з теплового насоса та обладнання для доступу до джерела тепла, яке для насосів типу «грунт-вода» і «вода-вода» додається окремо. Навпаки, для насосів типу «повітря-вода» зовнішні комунікації для джерела тепла вже вбудовані в агрегат.

Величина річного виробітку (показник ефективності теплових насосів) - це кількість тепла, отримана за рік за допомогою теплових насосів по відношенню електрики до витрат. Якщо, приміром, вона дорівнює трьом, це означає, що кількість отриманої теплової енергії в три рази вища, ніж витраченої електричної.

Холодоагент - робоча речовина, що циркулює в тепловому насосі. При цьому його агрегатний стан постійно змінюється від рідкого до газоподібного. Випаровування викликає поглинання енергії, а повернення в рідкий стан - її віддачу.

Моновалентний режим роботи передбачає використання лише одного джерела теплової енергії, за допомогою якого опалювальна система може самостійно забезпечити всі потреби в теплі. Як правило, в якості моновалентних використовуються насоси типу «грунт-вода» і «вода-вода». Оскільки температура земних надр і ґрунтових вод практично не залежить від температури навколишнього середовища, навіть при низьких мінусових температурах джерело тепла постачає достатньо енергії для опалення будинку.

Бівалентний режим роботи передбачає наявність в опалювальній системі двох джерел тепла. Теплові насоси, що приводяться в дію електродвигуном, комбінуються з іншими генераторами тепла, що працюють на твердому, рідкому або газоподібному паливі, які підтримує опалювальну систему при занадто низьких температурах навколишнього середовища.

Моноенергетичний режим роботи - особлива форма бівалентного режиму. В якості додаткового теплогенератора при цьому виступає не газовий або рідкопаливний котел, а виключно електронагрівальний прилад. Додаткове електроопалення забезпечує підтримку теплових насосів в найбільш холодні дні року.

Геотермальні зонди розміщуються у вертикальних стовпоподібних свердловинах глибиною від 50 до 100 м.

Подавальна і поглинаюча свердловини призначені для отримання тепла за допомогою теплових насосів типу «вода-вода». З подавальної свердловини вода за допомогою водяного насоса направляється до теплового насосу. Після вилучення теплової енергії ґрунтова вода по поглинаючій свердловині повертається в природний кругообіг.

Теплові насоси своїми руками

Для здешевлення встановлення теплові насоси можна змонтувати власними силами.

Вертикальні теплові насоси «ґрунт-вода»

Використовуючи бурову установку, виконують свердловину діаметром 20 см і глибиною від 50 до 100 м. Всередину вертикальної стовпоподібної свердловини поміщають геотермальний зонд. Глибина і кількість свердловин залежать від потреби в енергії і від геології місцевості.

Горизонтальні теплові насоси «ґрунт-вода»

За допомогою будівельної техніки неподалік від будинку риють траншею глибиною близько 1,5 м. Горизонтальну систему труб прокладають нижче рівня промерзання ґрунту. По спеціальному трубопроводу теплоносій підводять до цокольної частини будинку.

Теплові насоси «вода-вода»

Водний колектор збирають зі звичайних поліетиленових труб, заповнених теплоносієм. Після чого отриману конструкцію обережно переносять на берег водойми. Потім занурюють у воду і акуратно транспортують на середину ставка.

Теплові насоси «повітря-повітря»

Монтаж теплових насосів «повітря-повітря» не вимагає землекопних або бурових робіт. Зазвичай геотермальний насос такого типу встановлюють на відстані 2-20 метрів від житлового будинку. Для встановлення теплових насосів на ділянці вибирають місце, яке добре продувається.

За матеріалами: termoteh.at.ua, kak-sdelat-samomu.ru.

 

Читайте також:

 

Коментарі:

blog comments powered by Disqus