Описание технологии отопления, горячего водоснабжения, охлаждения и кондиционирования геотермальными тепловыми насосами

Большинство населения Украины пока не знакомы с понятием "тепловой насос", но постоянно используют тепловые насосы в обычных холодильниках и кондиционерах.

Холодильники и кондиционеры стали настолько надежными, удобными и привычными, что мы перестали обращать внимание на их работу.

Таким же привычным, как для нас кондиционеры, для например швейцарцев, является отопление зданий геотермальными тепловыми насосами. Геотермальный тепловой насос по принципу работы похож на обычный кондиционер реверсивного типа (способные отапливать и охлаждать), но имеет расширенные функции и, в отличие от кондиционеров, адаптирован для работы при любых погодных условиях и минусовых температурах. Главная проблема кондиционеров - уменьшение производительности и остановка кондиционеров при минусовых температурах, когда отопление наиболее важно - решена в геотермальных тепловых насосах.

Тепловые насосы не являются какими-то чудесными устройствами, действие которых понимают только продавцы и установщики тепловых насосов. Тепловой насос следует рассматривать как любое другое отопительное устройство, которое используется для производства тепла и в отношении которого действуют все законы, касающиеся энергии. Как и у каждого отличающегося способа отопления, также и у теплового насоса есть свои особенности. Теплотехнические расчёты у всех способов получения тепла одинаковые. Правила термодинамики действуют как при дровяном печном отоплении, так и при управляемой через Интернет геотермальной теплонасосной установке.

Технические подробности роботы тепловых насосов

Принцип работы теплового насоса отображен в цикле Карно, опубликованном в 1824 г. в его диссертации, и изучается в школьном курсе физики. Практическую теплонасосную систему предложил лорд Кельвин в 1852 г. под названием „умножитель тепла”.

Использование геотермальных тепловых насосов для отопления, охлаждения и горячего водоснабжения здания или комплекса зданий


В соответствии с изображенным принципом действия, тепловой насос берет тепловую энергию, перекачивает ее, и отдает в другое место.

Например, в обычном холодильнике тепло отбирается морозильной камерой из холодильника и выбрасывается в кухню, при этом задняя стенка холодильника становится горячей.

В реверсивных кондиционерах, работающих на отопление, расположенный снаружи здания блок забирает тепло из воздуха и отдает внутреннему блоку в здание. Однако, при температурах около плюс пяти градусов, наружный блок кондиционера начинает покрываться инеем и льдом из конденсата воздуха, что уменьшает эффективность теплопередачи. Для удаления льда кондиционер начинает периодически отапливать наружный блок электричеством, при этом мощность отопления падает, расход электроэнергии увеличивается. При дальнейшем снижении температуры в итоге эффективность отопления на кондиционерах становится равной нулю, отопление прекращается, кондиционер останавливается.

При отоплении геотермальными теплонасосами, попросту говоря, наружный блок вкапывается в землю или погружается в озеро рядом со зданием. При этом, независимо от температуры воздуха во дворе, внешний блок остается свободным от льда, эффективность теплопередачи остается высокой.

Принцип действия отопления геотермальными тепловыми насосами основан на сборе тепла из почвы или воды, и передаче собранного тепла отоплению здания. Для сбора тепла незамерзающая жидкость течет по трубе, расположенной в почве или водоеме, к тепловому насосу. Тепловой насос, подобно холодильнику, отбирает около 8 °С у незамерзающей жидкости, при этом жидкость охлаждается. Жидкость снова течет по трубе, восстанавливает свою температуру и поступает к тепловому насосу. Отобранные тепловым насосом градусы передаются системе отопления и/или на подогрев горячей воды.

Возможно отбирать тепло у подземной воды - подземная вода с температурой около 10 °С подается из скважины к тепловому насосу, который охлаждает воду до +1. +2°С, и возвращает воду под землю.

Тепловая энергия есть у любого предмета с температурой выше минус двести семьдесят три градуса Цельсия - так называемый "абсолютный ноль". То есть тепловой насос может отобрать тепло у любого предмета - земли, водоема, льда, подземной скалы, плывуна и т.д.

В климатических условиях Украины для отопления здания энергия забирается из грунта (или водоема) и отдается в систему отопления здания. Если же здание, например летом, нужно охлаждать (кондиционировать), то происходит обратный процесс - тепло забирается из здания и сбрасывается в землю (водоем). Тот же тепловой насос может работать зимой на отопление, а летом на охлаждение здания. Очевидно, что теплонасос одновременно может выполнять вытекающие функции - греть воду для горячего бытового водоснабжения, кондиционировать через фанкойлы, греть бассейн, охлаждать например ледовый каток, подогревать крыши и дорожки от льда. Тесть одно оборудование может взять на себя все функции по тепло-холодоснабжению здания.

Обмен теплом с окружающей средой геотермальные тепловые насосы осуществляют такими основными способами:

- насос с открытым циклом - из подземного потока (плывуна) забирается подземная вода, подается в размещенный внутри здания тепловой насос, вода отдает/забирает тепло у теплового насоса, и возвращается в подземный поток на расстоянии от места забора. Плюсом такого способа является возможность одновременно получить воду для водоснабжения дома. Открытые системы являются очень эффективными, поскольку температура подземной воды является относительно высокой и круглогодично стабильной. Использование воды из скважины не наносит ущерба грунтовым водам, не изменяет уровень грунтовых вод в водном горизонте, поскольку открытую систему можно рассматривать как соединённые сосуды, где вода, забираемая из одного колодца, направляется обратно под землю через второй колодец, не изменяя общий уровень воды. Корректно, в соответствии с нормативами сооружённые скважины обеспечивают безопасную для окружающей природы стабильную работу системы отопления.

- насос с закрытым циклом и водоразмещенным теплообменником - специальная жидкость (теплоноситель) прокачивается по коллекторам (трубкам), находящимся в водоеме, и отдает/забирает тепло у воды. Здания целесообразно отапливать тепловой энергией открытого водоёма в том случае, если здание находится от водоёма ближе 100 метров, и глубина водоёма, а также береговая линия соответствуют условиям, требуемым для прокладки коллектора. Плюсом такого способа является его относительная дешевизна.

Распределенные по поверхности озера коллекторы (трубки) перед заполнением теплоносителем и погружением их на дно.

- насос с закрытым циклом и горизонтальным теплообменником, размещенным в земле - трубки (коллекторы), в которых прокачивается теплоноситель, размещены горизонтально на глубине не менее метра от поверхности земли. Основной опасностью является неосмотрительность при проведении землекопных работ в зоне нахождения почвенного коллектора. Для современно жилого дома с отапливаемой площадью в 200 м2 под основание коллектора требуется около 500 м2 поверхности грунта. При прокладке коллектора вблизи деревьев трубу коллектора не следует укладывать ближе, чем 1,5 метра от кроны. Правильно выбранный по размерам и правильно уложенный почвенный коллектор не влияет негативно ни на рост растений, ни на экологические условия.

- насос с закрытым циклом и вертикальным теплообменником - трубки, в которых прокачивается теплоноситель, размещены вертикально в земле и уходят в глубину земли до 200 метров.

Как известно, на глубине 15-20 метров от поверхности земля имеет стабильную температуру 10-12 градусов Цельсия независимо от поры года. С увеличением глубины температура земли повышается. Этот способ обеспечивает самую высокую эффективность работы теплонасоса, малый расход электроэнергии и дешевое тепло - на 1 кВт электроэнергии получают до 5 кВт тепловой энергии, но требует больших первоначальных капиталовложений.

Тепловые насосы, которые забирают/отдают тепло из земли или воды, в Европейских странах обычно называют "геотермальные тепловые насосы", или по-английски «geothermal heat pumps» - «GHP». Все изображенные выше способы используют GHP. В некоторых странах, например Великобритании, к GHP относят только тепловые насосы с вертикальным теплообменником, а другие способы называют "землеразмещенными", "грунтовыми" или "солнечными" теплонасосами. Разница в названиях не меняет сути работы тепловых насосов для отопления.

Дополнительно к вышеперечисленным, геотермальный тепловой насос может забирать остаточное тепло из воздуха, удаляемого вентиляцией здания. Вентилируемый использованный воздух перед удалением из здания охлаждается, тепло возвращается (рекуперируется) тепловому насосу.

Обращаем внимание на нецелесообразность использования в Украине систем отопления на так называемых "воздушных теплонасосах", по сути обычных кондиционерах, в которых тепло для отопления здания забирается из наружного воздуха. Эти системы разработаны и успешно используются в более теплых, чем Украина, странах, где не бывает значительных морозов - южных штатах США, Греции, Японии и т.д. Проблема в том, что размещенный снаружи теплообменник при температуре на улице около плюс 5 градусов Цельсия начинает покрываться льдом из-за замерзающего конденсата, резко снижается теплопередача, эффективность теплонасоса уменьшатся. При дальнейшем понижении температуры наружного воздуха эффективность теплонасоса становится близкой нулю, воздушный тепловой насос переходит на обычное электроотопление, что резко увеличивает расход электроэнергии, или полностью прекращается.

Пассивное охлаждение/кондиционирование

Большим плюсом некоторых систем геотермального теплонасоса является возможность прямого использования летом подземного холода для охлаждения/кондиционирования здания. Например, в системах с открытым циклом подземная вода, имеющая температуру около 10 градусов Цельсия, обычным насосом летом подается в здание и распространяется по активным конвекторам (фанкойлам), которые кондиционируют здание, после чего возвращается под землю. При этом компрессор теплонасоса не включается, электроэнергия расходуется только на прокачивание воды. На потраченный один киловатт электроэнергии можно получить до 30 киловатт холода, что в 10 раз эффективнее кондиционера. Такой способ кондиционирования называют "свободным" или "пассивным". Такое охлаждение особенно эффективно при открытом способе или способе с вертикальным теплообменником.

Если мощности пассивного охлаждения недостаточно зданию, или если используются другие способы обмена теплом с окружающей средой, для охлаждения используют компрессор теплового насоса. То есть теплонасос начинает работать как обычный кондиционер. Такое охлаждение называют "активным".

Бивалентный способ отопления

В обычных конфигурациях системы отопления здания, для уменьшения капитальных затрат на геотермальный теплонасос, соответственно DIN4701/EN12831 предусмотрено использовать „бивалентные” системы отопления. В бивалентной системе тепловой насос устанавливают с мощностью 70% - 85% максимальной зимней потребности, то есть тепловой насос самостоятельно обеспечивает отопление например при температуре на улице до минус 15 градусов Цельсия, то есть 350 дней в году. В особо холодные зимние дни на помощь теплонасосу включается дополнительный источник тепла отопления, добавляющий недостающие 15%-30% мощности отопления - обычно электронагреватель, иногда жидкотопливный котел, старая печь и т.д. При этом за год тепловой насос произведет 92% - 98% тепла, а вспомогательное источник 2% - 8% тепла необходимого зданию в год. Но общая эффективность системы несколько снижается: на производство 4 кВт тепла теплонасос использует 1 кВт электроэнергии, а например электронагреватель 1 кВт электроэнергии.

Системы тепло- холодоснабжения на геотермальных тепловых насосах не имеют никаких ограничений на внутридомовые системы тепло- холодоснабжения. Например, отопление можно устраивать как напольное, так и с помощью радиаторов, как в масштабах всего дома, так и комбинированно. Однако есть некоторые особенности, которые необходимо учитывать. Например, если в здании имеется как радиаторное, так и напольное отопление, то к напольному отоплению для получения воды необходимой температуры следует использовать насосный узел напольного отопления. Этот насосный узел составляется в ходе установки, а циркуляционный насос выбирается в соответствии с потерей напора части напольного отопления. Учитывать эти особенности важно для обеспечения нормальной работы систем тепло- холодоснабжения.

Тепловые насосы могут комплектоваться различными дополнительными устройствами и оборудованием. Это и коммуникационное устройство для управления теплонасосом через мобильный телефон, персональный компьютер и модем. Для центральной или локальной системы охлаждения придётся выбрать блок охлаждения. Для систем отопления полов может потребоваться дополнительный насосный блок, а для обеспечения циркуляции горячей воды – циркуляционный насос, для подогрева воды в бассейнах – своё дополнительное оборудование. В систему можно встроить специальные системы комфортного подогрева: например для подсушивания влажных помещений: бань, ванных комнат, или подогрева каменных полов. В этом случае, даже при отсутствии необходимости в отоплении, подогревают только те полы, которые, в противном случае, были бы влажные или холодные. При больших площадях стекла, если не хватает отопления от пола, можно применять активные конвекторы, которые пригодны как для отопления зимой, так и кондиционирования летом. Соответственно удельная стоимость более насыщенной системы будет выше обычной.

По материалам сайта: http://esco.co.ua