Геотермальный обогрев Тепловые насосы
Геотермальная энергия (от греческих слов geo – земля, и thermо – тепло) это энергия, накопленная под поверхностью земли, в атмосфере или океанах.
Стоимость тепловых насосов
Геотермальная энергия обеспечивает ряд преимуществ перед традиционными видами энергии на основе ископаемого топлива.
Такая энергия безопасна в быту, экологична с точки зрения воздействия на окружающую среду. Геотермальная энергия экономична и очень конкурентоспособна с видами энергии на основе ископаемого топлива ( газ, уголь, нефть, нефтепродукты), а в некоторых
районах избавляет от зависимости этих видов топлива с прис ущей им непредсказуемостью цен.
Используя геотермальную энергию можно бесперебойно получать дешевое тепло и горячую воду круглый год. И все благодаря тепловым насосам (далее - ТН). Эти устройства популярны на всем земном шаре, кроме России. Причем население развитых стран использует их не только для отопления домов и получения горячей воды. Они ( хотя и не все модели) также способны создавать прохладную атмосферу в помещении и работать в системе принудительной вентиляции, подогревая холодный свежий воздух или осушая комнатный. И делает это не огромный грохочущий технический монстр, а скромное устройство, напоминающее холодильник.
Оно может стоять в углу вашей кухни (внешний вид позволяет) или занимать 2-3 м2 в небольшой котельной. Но главное - в другом.
Примерно 70 % энергии для создания комфортного климата в доме тепловой насос своим владельцам просто дарит. Бесплатно! Потому что сам забирает ее у окружающей природы - из воздуха, земли или воды. Разве это не чудо? Не ленитесь, используйте его! Заметим, что сам тепловой насос энергию не вырабатывает, а лишь транспортирует от источника низкотемпературного тепла ( ИНТ) на более высокий температурный уровень. Затратив 1 кВт электроэнергии в приводе насоса, можно получить 3, 4, а часто и 5-6 кВт тепловой энергии. Тепловой насос использует введенную в него энергию на голову эффективнее любых котлов, сжигающих топливо. Величина КПД у него много больше единицы. Чтобы избежать "смятения умов", экономичность работы разных моделей ТН специалисты сравнивают по особой величине - коэффициенту преобразования тепла (φ), среди других его названий в буклетах встречаются коэффициенты трансформации тепла,
мощности, преобразования температур. Он показывает отношение получаемого тепла к затраченной энергии. К примеру, φ = 3,5 означает, что, подведя к машине 1 кВт, на выходе мы получим 3,5 кВт тепловой мощности, то есть 2,5 кВт природа предлагает нам безвозмездно. И хотя это выглядит чудом, с ним, как оказывается, мы знакомы давно. Они известны уже 150 лет, а в частных домах применяются лишь 30 лет. В среднем 60-75% потребностей теплоснабжения дома ТН обеспечивает бесплатно. Цифры настолько завораживающие, что невольно приходит на ум поговорка о бесплатном сыре. Действительно, первоначальные затраты на насос и
монтаж системы сбора тепла довольно ощутимы и составляют $ 300-1200 на 1 кВт потребной мощности отопления. Но капиталовложения окупятся за 4-9 лет только за счет сберегаемого топлива и электричества. При сложившемся уровне цен на энергоносители ТН по экономичности уступают пока только газовым котлам, но заметно выигрывают у жидкотопливных и электрических. Служат они по 15-20 лет до капремонта. В перспективе, в связи с ростом цен на все виды топлива, их лидерство обеспечено.
Количество тепловых насосов установленных в Европе, только лишь в жилом фонде по данным на 1996 год составило:
Австрия 133100, Дания 31300, Франция 53000, Германия 363120, Греция 57084, Италия 800000, Голландия 2856, Норвегия 13500,
Испания 802000, Швеция 250000, Швейцария 39500, Англия 13900, Всего в Европе 3073116.
Применение сегодня тепловых насосов в качестве альтернативной энергетики очевидно. Стоит посмотреть на опыт стран активно применяющих эту технологию, что бы понять ее перспективы. Сегодня в Японии уже эксплуатируются более 3 млн. тепловых насосов,
в США ежегодно выпускается около 1млн. тепловых насосов, Швеция получает 50% тепловой энергии, используя тепловые насосы.
Пекинская Комиссия по Развитию и Реформам, совместно с другими восьмью Пекинскими правительственными учреждениями, недавно анонсировала намерение активного содействия в применении тепловых насосов в новых и реконструированных зданиях.
В наши дни истощение мировых нефтяных запасов дало толчок новому всплеску интереса к этим устройствам.
У нас эти агрегаты только-только начинают входить в практику. О них мало известно даже в среде строителей, а потребители довольствуются лишь всевозможными слухами. Самых распространенных два: что это игрушка для богачей и что так попросту не бывает, потому что все очень уж хорошо.
Но если присмотреться к ТН внимательней, то выявляется ряд их абсолютных преимуществ:
ТН Экономичен. Он не только сэкономит деньги, но и сбережет здоровье обитателям дома и их наследникам. Агрегат не сжигает топливо, значит, не образуются вредные окислы типа CO, СO2, NOх, SO2 , PbO2. Потому вокруг дома на почве нет следов серной, азотистой, фосфорной кислот и бензольных соединений. Да и для планеты применение ТН - благо. Ведь по большому счету на ТЭЦ сокращается расход топлива на производство электричества. Применяемые же в ТН фреоны не содержат хлоруглеродов и озонобезопасны.
Тепловой насос Универсален. Тепловой насос обладает свойством обратимости (реверсивности). Он "умеет" отбирать тепло из воздуха дома, охлаждая его.
Летом избыточную энергию иногда отводят "на хранение" обратно в грунт, откуда вновь возьмут зимой. Или этим теплом можно подогревать бассейн. Но такие операции под силу только специально приспособленным моделям ( например, IVT-Twin от IVT, Швеция).
Тепловой насос Абсолютно Безопасен. Эти агрегаты практически взрыво- и пожаробезопасны. Нет топлива, нет открытого огня, опасных газов или смесей. Взрываться здесь просто нечему, нельзя также угореть или отравиться. Ни одна деталь не нагревается до температур, способных вызвать воспламенение горючих материалов. Остановки агрегата не приводят к его поломкам или замерзанию жидкостей.
В сущности, ТН опасен не более, чем холодильник.
Температурный уровень, характерный для основных источников тепла, применяемых в системах на основе тепловых насосов в режиме отопления и температурный диапазон, °C
Наружный воздух -10/+15; Отводимый воздух 15/25; Подпочвенная вода 4/10; Озерная вода 0/10; Речная вода 0/10; Морская вода 3/8; Грунт 0/10; Грунтовые воды >10 .
Примерно 77 %, установленных в Европе тепловых насосов, используют наружный воздух в качестве источника тепла. В Швеции,
Швейцарии и Австрии преобладают тепловые насосы, забирающие тепло из грунта по заглубленному змеевиковому теплообменнику:
данные по этим странам составляют соответственно 28, 40 и 82 %. В Северной Европе зачастую тепловые насосы применяются только для отопления и приготовления горячей санитарной воды. Тепловые, энергетические и экономические характеристики тепловых насосов тесно взаимоувязаны с характеристиками источников, откуда насосы черпают тепло.
Бытовой тепловой насос - родной брат домашнего холодильника. В обоих есть испаритель, компрессор, конденсатор и дросселирующее устройство.
Цикл работы у холодильника и насоса абсолютно одинаков, разнятся только параметры настройки. Фреон подбирается такой, чтобы мог закипать даже при минусовой температуре. Поэтому, даже когда совсем холодную воду (рассол) (1) прогоняют насосом через
каналы испарителя (2), жидкий фреон все равно испаряется. Далее пар втягивается в компрессор (3), где сжимается. При этом его температура сильно увеличивается (до 90-100°С). Затем горячий и сжатый фреон направляется в теплообменник конденсатора (4),
охлаждаемый водой или воздухом. На холодных поверхностях пар конденсируется, превращаясь в жидкость, а его тепло передается охлаждающей среде. Воду используют в системе отопления или горячего водоснабжения (5), а фреон, теперь снова жидкий, направляется на дросселирующий вентиль (6), проходя через который он теряет давление и температуру, а затем опять возвращается в испаритель. Все. Цикл завершился и будет автоматически повторяться, пока работает компрессор.
ТН Mecmaster (Швеция)
Успех применения ТН в первую очередь зависит от того, откуда вы решите черпать низкотемпературное тепло, во вторую - от способа обогрева вашего дома (водой или воздухом). Дело в том, что агрегат работает как перевалочная база между двумя тепловыми контурами: одним, нагревающим, на входе (на стороне испарителя) и другим, отопительным, на выходе ( конденсатор). По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на шесть типов: "грунт-вода", "вода-вода", "воздух-вода", "грунт-воздух",
"вода-воздух", "воздух-воздух".
Схема тепловых насосов на "основе почвы и скважины":
В отечественных условиях пока применяют только первые три и последний. Воздушное отопление у нас приживается плохо, хотя имеет свои достоинства и, например, в США является наиболее распространенным. Но для всех типов характерен ряд особенностей,
о которых полезно помнить при выборе модели. Во-первых, тепловой насос оправдывает себя только в хорошо утепленном здании, то есть с теплопотерями не более 60 Вт/м2. Чем теплее дом, тем больше выгода. Как вы понимаете, отапливать улицу, собирая на ней же крохи тепла, - занятие глупое. Во-вторых, чем больше разница температур теплоносителей во входном и выходном контурах, тем меньше коэффициент преобразования тепла ( φ), то есть меньше экономия электроэнергии. Так уж работают эти устройства, независимо от их типа. Поэтому более выгодно подключение агрегата к низкотемпературным системам отопления. Прежде всего, имеется в виду обогрев от водяных полов или теплым воздухом, так как в этих случаях теплоноситель по медицинским требованиям не должен быть горячее 35°С. А вот чем более горячую воду машина готовит для выходного контура (для радиаторов или душа), тем
меньшую мощность (до 15%) она развивает и тем больше расходует электричества (до 12%). В-третьих, для достижения большей выгоды практикуется эксплуатация ТН в паре с дополнительным генератором тепла - догревателем В доме с большими теплопотерями ставить насос большой мощности (более 30 кВт) невыгодно. Он громоздок, а будет работать в полную силу всего лишь около месяца. Ведь количество действительно холодных дней не превышает 10-15% от длительности отопительного сезона. Поэтому часто мощность ТН назначают равной 70-80% от расчетной отопительной. Она будет покрывать все потребности дома в тепле до тех
пор, пока уличная температура не опустится ниже определенного расчетного уровня (температуры бивалентности), например минус 5-10°С. С этого момента в работу включается второй генератор тепла. Есть разные варианты его использования. Чаще всего таким
помощником служит небольшой электронагреватель. У нас самыми распространенными источниками низкотемпературного тепла являются грунт и вода. Из грунта тепло забирают
почвенными теплосборниками двух типов: а) горизонтальными грунтовыми коллекторами; б) вертикальными геотермальными зондами. Они собирают тепло, накопленное в верхних слоях почвы (глубина - 5-20 м) в результате солнечного излучения (прямой нагрев, осадки, тепло воздуха). Радиационное излучение Земли, идущее из глубин, не превышает 0,12 Вт/м2. В теплообменниках находится незамерзающий теплоноситель («расссол»), который, нагреваясь от грунта, переносит тепло к испарителю ТН с помощью циркуляционного насоса. Исследования, проведенные компанией " ИНСОЛАР-ИНВЕСТ", показали, что достаточно эффективный теплосъем можно осуществлять почти по всей территории России. Какой тип теплосборника предпочтителен для конкретного участка,
решает специалист, так как теплосъем зависит от состава и структуры грунта. Лучших результатов достигают, если в нем много воды, твердых минеральных составляющих типа кварца и мало воздушных пор. Мощность теплосъема составляет 10-40 Вт/м2 (при шаге
размещения труб 0,5-0,7 м). Отвод тепла сопровождается охлаждением области вокруг труб. Опыт показывает, что наиболее приемлемая конструкция системы теплосбора получается при применении полиэтиленовых труб РЕ ПНД6 диаметром 40 мм,
заполненных пропиленгликолем (30 %). Так, для дома площадью 100 м2 мы рекомендуем трубу общей длиной 300-400 м. Достаточно двух отрезков по 200 м. Для укладки каждой ветви выкапывают траншею длиной до 50 м, шириной 0,8 м и глубиной 2 м. При этом расстояние между траншеями составляет минимум 10 м. В контур врезают циркуляционный насос, который согласовывают с параметрами контура и ТН. Контуры выполняют только из целого куска трубы, без соединений, лежащих под слоем земли. Важно, чтобы они имели одинаковое гидросопротивление, иначе менее " зажатый" может замерзнуть. Ведь антифриза через него потечет больше и отбор тепла станет более интенсивным. Распределители могут располагаться как вблизи дома (в бетонном приямке), так и в самом здании.
Варианты раскладки грунтовых коллекторов
Геотермальные зонды Они извлекают тепло с больших глубин, где температура грунта более стабильна (около 10°С). Зонд опускают в скважину диаметром 110-150 мм и глубиной до 100-150 м. Каждый метр его длины позволяет отвести в зависимости от свойств грунта 30- 100 Вт тепловой мощности. Главное достоинство зондов - маленькая установочная площадь. Недостаток - дороговизна бурильных работ (до 1 тыс. руб. за 1 пог. м). Пластиковые трубы зонда диаметром 25 - 40 мм герметично соединяются внизу, образуя длинный U-образный канал, заполненный антифризом. Такие петли чаще всего используют парами, но в зонде их может быть и больше. Трубы опрессовывают жидкостью и в заполненном виде опускают в скважину.
Вход вертикального коллектора в скважину.
Основание U-образного геотермального зонда
После этого пространство вокруг зонда заполняют бурильным раствором или бетонито-цементной смесью ( для защиты труб от механических повреждений и лучшей теплопередачи). Если скважина будет проходить через водоносные слои, на осуществление работ надо получить разрешение властей. Этих хлопот можно избежать, если глубину скважин уменьшить до 20-40 м, а их количество - увеличить, располагая не ближе чем в 5 м друг от друга. Все теплосборники снабжают расширительным баком, воздухоотводчиком и вентилями для заполнения антифризом. Главное условие согласованной работы контура ИНТ с тепловым насосом - обеспечение такого расхода теплоносителя, который указан в паспорте ТН. Далее понадобится обеспечить теплоизоляцию
труб, идущих от контура к дому.
Вода - более привлекательный вид ИНТ, чем воздух. В ней больше стабильного тепла. Использование тепла не промерзающих до дна рек, озер или болот - более перспективна. Закинул в речку свой "невод" (петлю или несколько из той же трубы РЕ), притопил на дне грузами - и собирай бесплатные киловатты.
Распределительные коллекторы для подводных теплосъемных петель
Отопительная система, питаемая от ТН, строится по специфическим схемам. Отопление рассчитывают как низкотемпературное.
Низкотемпературные радиаторы с большой площадью теплоотдачи.
Система отопления на базе теплых водяных полов.
Радиаторы при этом приходится ставить не секционные, а стальные панельные, к тому же увеличенной площади. Перепад температур (Т) на входе и выходе радиаторов принимают в диапазоне 4-7°С; в наших системах Т = 20(10)°С. Оказывается, так выгоднее и для
радиаторов, и для ТН. Средняя температура воды в радиаторе повышается, теплоотдача усиливается. Если же охлаждать очень горячий конденсатор тепленькой водичкой из "обратки", штатный режим работы агрегата нарушается и мощность падает. Чтобы этого не произошло, приходится увеличивать скорость циркуляции воды в контуре отопления. Расход в нем по сравнению с классическими системами увеличивают вдвое. Значит, нужно подбирать соответствующее оборудование: циркуляционный насос, трубы, фитинги.
Кроме того, проблемы возникают из-за разных концепций регулирования мощности - выдаваемой ТН и потребляемой системой отопления. Ведь охлаждающую воду на конденсатор ( из " обратки") необходимо подавать обильно, непрерывно, с постоянной
температурой. А у отопления свои заботы: температуру в комнатах надо постоянно регулировать. Путей для этого два: изменять либо расход воды (например, термостатом на радиаторах ), либо ее входную температуру (используя смесительные узлы). Оба создают неприемлемые условия для ТН: или обратной воды мало, или она очень холодная. Поэтому на запросы системы "побольше/поменьше тепла" тепловой насос отвечает однообразно: "включился/выключился". Но число включений в 1 ч ограничено (иногда до 3 раз) из-за перегрузки компрессора. Более универсален другой способ. В соответствии с ним отопительную систему с отдельным циркулирующим насосом подключают к ТН через термогидравлический распределитель или буферный накопитель ( при объеме более 300 л он работает как аккумулятор тепла, о котором говорилось ранее). Тогда и контуров отопления (поэтажные, бассейн, теплые полы, зимний
сад и т. д.) можно делать много, и температуру в них регулировать независимо, и ТН будет работать стабильно.
ТН с буферным накопителем (бойлером) и встроенным догревателем.
Создавать комфортный микроклимат в доме, используя традиционные методы отопления, а также охлаждение сплит-системами и приточно-вытяжной вентиляцией, трудно и неэкономично. Ведь эти локальные системы работают друг против друга. Хороших
результатов удается достичь на базе двух тепловых насосов типа "вода - воздух", соединенных по кольцевой схеме и питаемых теплом земли через геотермальные зонды. Один работает на обогрев, другой - на охлаждение комнатного воздуха. Поэтому в каждом
помещении можно поддерживать свою температуру. Если установить еще и систему принудительной вентиляции с рекуператором тепла, то кольцевая схема поможет нагреть или охладить свежий воздух, используя для этого энергию вытяжного воздуха. Подобный
уровень комфорта способны обеспечить разве что мультизональные сплит-системы VRV или четырехтрубные системы "чиллер-фанкойл" в комбинации с принудительной вентиляцией. Но из-за громоздкости, дороговизны, проблем с автоматизацией они не идут ни в какое сравнение с кольцевой схемой. Так, по сравнению с технологией " чиллер-фанкойл" закольцованные ТН снижают капиталовложения на 30 %, стоимость эксплуатации - на 70 %, требуемые площади - на 80 %. И это при более высокой надежности и устойчивости работы при низких температурах. Феликс Мушегян, ведущий специалист МЗТА
Схема применения ТН с рекуператором, для охлаждения дома жарким летом.
Итак, подведём итог вышесказанному, используя наиболее часто возникающие вопросы у тех, кто ещё сомневается в установке теплового насоса в качестве системы отопления собственного дома:
Действительно ли это работает?
Да! Тепловой насос переносит тепло из одного места в другое. Холодильник работает по такому же принципу. Забирая тепло у продуктов внутри, он переносит его наружу. Притроньтесь к задней стенке холодильника, и Вы почувствуете тепло, которое отобрал холодильник. Используя этот же принцип, тепловой насос переносит тепло из земли в Ваш дом, а Солнце снова
восстанавливает это тепло.
Каким образом тепло земли (воды) переносится в дом?
Земля, как аккумулятор имеет свойство накапливать солнечную энергию. Эта энергия (тепло) извлекается коллектором, или скважиной на Вашем участке. Вода с незамерзающей жидкостью циркулирует в коллекторе, или скважине, собирая тепло из окружающего грунта. Коллектор подключен к тепловому насосу, который передает тепло в систему отопления и греет бытовую воду.
Если забираемая температура ниже нуля, будет ли работать тепловой насос?
Да. При нуле замерзает вода. Тепловая энергия есть во всем, что теплее -273 °C. (температуры абсолютного холода). Геотермальный тепловой насос будет работать вплоть до -10 °C в коллекторе. Укладка горизонтального коллектора на глубину около 2-х метров является оптимальной.
Какой тип отбора тепла выбрать?
Доступная площадь возле здания определяет метод забора тепла. Коллектор может быть уложен в грунт или опущен в скважину. Также он может быть уложен на дно водоёма. Если места для горизонтальной укладки недостаточно и бурить слишком дорого, можно установить воздушный тепловой насос. Его эффективность немного меньше, но установить его можно где угодно.
Насколько эффективен тепловой насос?
Тепловой насос работает от электросети, используя затраченную энергию гораздо эффективнее любых котлов, сжигающих топливо. Значение КПД у него в несколько раз больше единицы. Например, расходуя 1 кВт электроэнергии, Вы получите 3-4 кВт тепла. Таким образом, получаете 2-3 кВт тепла бесплатно из окружающей среды.
При сегодняшней стоимости тепловых насосов они себя не окупают!
Где можно разместить тепловой насос?
Можно размещать в подсобном помещении, подвале, или даже в гараже.
Насколько шумен тепловой насос?
Тепловой насос шумит как бытовой холодильник.
Какой тип отопления дома выбрать?
Можно использовать как радиаторную систему, так и напольное отопление. Наиболее эффективным сочетанием является тепловой насос с напольным отоплением. В таком случае КПД будет максимально возможным. В коммерческих зданиях тепловой насос можно подключить к системе воздушного распределения.
Работает ли такая система в самое холодное время года?
Такие системы работают уже давно в Скандинавии и в Канаде, где зимы очень суровы.
Будет ли достаточное количество горячей воды?
Да. Тепловые насосы производят необходимое количество горячей воды для Ваших повседневных нужд.
Можно ли получить кондиционирование летом с помощью теплового насоса?
Да. Тепловые насосы обеспечивают как тепло зимой в вашем помещении, так и прохладу летом.
Какая будет экономия?
Сравнивая с любой топливной системой, тепловой насос в несколько раз дешевле в эксплуатации, кроме газа. Но!
С учетом неблагоприятных перспектив роста цен на ископаемые энергоносители, через 10-15 лет тепловой насос будет вне конкуренции!
Выбор за Вами.
-------------------------------------------------------------
Обзор составлен по материалам статей журнала «Идеи вашего дома»:
№ 6 (85) июнь 2005, «Обогрев холодом (обзор рынка тепловых насосов)», Автор - Виктор Полухин.
№ 1 (102) январь 2007, «Тепло в кредит (особенности применения тепловых насосов)», Автор - Виктор Полухин.
