Тепловой насос – это устройство, позволяющее использовать тепло, рассеянное в окружающей среде, для обогрева зданий. Источником тепла могут служить воздух, открытые водоемы, грунт и земные недра – достаточно, чтобы температура была выше +1°С. Теплонасос позволяет собрать в природе эти крохи бесхозной тепловой энергии, повысить ее потенциал до уровня, достаточного для нужд отопления, и передать в систему теплоснабжения здания. Пользователь, затратив на приведение установки в действие всего 1 кВт электричества, получает 5-6 кВт тепловой энергии. Помимо этого тепловой насос служит источником горячей воды и может заменить собой систему кондиционирования, охлаждая здание летом, а также обеспечить подогрев и осушение воздуха в системе принудительной вентиляции.Правда, уровень первоначальных капиталовложений в установку достаточно высок, но взамен владелец дома получает компактную, надежную и безопасную в эксплуатации, а также безупречную с экологической точки зрения систему отопления с длительным сроком службы (20-25 лет до капитального ремонта).
Дополнительными аргументы в пользу теплового насоса служат отсутствие необходимости в согласованиях при подключении оборудования и особых требований к его размещению в доме (теплонасос по габаритам не больше стиральной машины).
Тепловые насосы – не новинка сезона и не писк моды. Идея теплового насоса сформулирована и реализована в лабораторных условиях более 150 лет назад. Практическое применение теплонасосных установок началось в 30-х годах прошлого века. Около 30 лет назад в связи с разразившимся энергетическим кризисом появились первые бытовые модели, с тех пор успешно применяющиеся в развитых странах и доказавшие свою надежность и долговечность на практике.
Теоретическое обоснование
Принцип действия теплового насоса заключается в том, чтобы создать такие физические условия, при которых рабочая жидкость, циркулирующая в замкнутом контуре, испаряясь, отбирала бы некоторое количество тепла у холодной окружающей среды, а затем, конденсируясь, передавая эту тепловую энергию в систему отопления дома. Процесс обеспечивается с помощью компрессора, конденсатора, испарителя, дросселей, трубопроводов – аналогично тому, как это происходит в холодильнике и кондиционере.
Теоретически источниками низкопотенциального тепла могут быть грунтовые воды (температура более 10°С), озерная и речная вода (0-10°С), поверхностный (0-10°С) и глубинный грунт (10°С), а также наружный воздух, даже если его температура ниже нуля. В условиях нашей страны, чтобы работа тепло-насосной установки была эффективной, в качестве источника тепла целесообразнее использовать грунт и открытые водоемы, поскольку их температура в течение всего года стабильна. Применение воздушных тепловых насосов в Украине оправдано только в Крыму.
Схематично тепловой насос, использующий тепло грунта или водоема, можно представить в виде системы из трех замкнутых контуров: в первом, внешнем, циркулирует теплоотдатчик (теплоноситель, собирающий тепло окружающей среды, – незамерзающая жидкость или антифриз), во втором – хладагент (вещество, которое испаряется, отбирая тепло у теплоот-датчика, и конденсируется, отдавая тепло теплоприемнику,- чаще всего фреон), в третьем – теплопри-емник (вода в системе отопления здания).
В качестве антифриза во внешнем контуре используется раствор гликоля или так называемый «рассол» (растворы солей с низкой температурой замерзания).
Правда, существуют также тепловые насосы прямого геобмена – в этом случае в землю укладывается контур с циркулирующим фреоном: теплообмен происходит непосредственно через поверхность тонких медных трубочек.
Экономичность работы теплового насоса оценивают по коэффициенту преобразования тепла, который отражает отношение получаемой тепловой мощности к потребляемой электрической. Эта величина зависит от разности уровня температур на входе в систему (в испарителе) и на выходе (в конденсаторе): чем больше разность, тем меньше коэффициент преобразования, а значит, и эффективность. Поэтому в системах отопления на базе теплового насоса в качестве отопительного прибора целесообразнее всего использовать водяной теплый пол, температура воды в котором ограничена 35°С. Находят применение и смешанные решения (теплый пол плюс радиаторы).
Первичный контур
Поскольку получить в личное распоряжение часть акватории открытого водоема для укладки на его дно первичного контура с теплоносителем довольно проблематично, наиболее предпочтительным источником тепла оказывается грунт. Возможны два варианта получения низкопотенциального тепла из грунта: либо с помощью горизонтально коллектора в виде уложенных в траншеи пластиковых труб, либо с помощью вертикального геотермального зонда из скважины глубиной 20-300 м.
Преимущество горизонтального коллектора – относительно невысокие затраты на его организацию. Однако для этого необходим свободный земельный участок.
Суммарная длина труб горизонтального коллектора и общая площадь участка под него рассчитываются по формулам в зависимости от требуемой мощности теплонасоса, удельного теплосъема (количества тепла, снимаемого с каждого метра трубы коллектора) и рекомендуемого расстояния между трубами (шага укладки), которое должно быть таким, чтобы грунт не промерзал. Для дома площадью 100 м2 длина коллектора составит 300-400 м.
Теплосъем с горизонтального коллектора зависит от глубины его укладки, качества грунта, наличия грунтовых вод и некоторых других параметров. В предварительных расчетах принимают величину 20 Вт/м, а конкретно по грунтам показатели таковы: сухой песок – 10 Вт/м, сухая глина – 20 Вт/м, влажная глина – 25 Вт/м, глина с большим содержанием воды – 35 Вт/м.
Вертикальный геотермальный зонд размещается в специально пробуренной скважине, в которую погружаются U-образные металло-пластиковые или пластиковые трубы. Как правило, в одну скважину вставляется две петли, после чего она заливается бентонитовым раствором. Расстояние между скважинами должно быть больше 5 м.
Глубина скважины определяется расчетом. Вместо одной большой скважины, для которой может потребоваться разрешение природоохранных организаций, бурят несколько неглубоких. В целом вертикальный зонд обходится гораздо дороже, чем горизонтальный коллектор, но если участок небольшой, альтернативы бурению нет.
Для предварительных расчетов удельный теплосъем в среднем принимают равным 50 Вт/м, но конкретные показатели по виду грунтов выглядят так
- сухие осадочные породы – 20 Вт/м;
- каменистая почва и насыщенные водой осадочные породы – 50 Вт/м;
- каменные породы с высокой теплопроводностью – 70 Вт/м;
- подземные воды – 80 Вт/м.
- Подбор диаметров труб проводится исходя из потерь давления для требуемого расхода теплоносителя.
В целом тепловые насосы типа «грунт-вода» способны полностью удовлетворять потребности индивидуального дома в тепле. Режим эксплуатации теплонасосной установки без дополнительного источника тепла называется моновалентным. Но, как правило, тепловой насос бытовой мощности оснащается встроенным резервным электрическим нагревателем. Он может работать как вместо теплового насоса, так и параллельно с ним, например, покрывая нехватку тепла в наиболее холодные дни года. Такой режим называется бивалентным.
Работа теплового насоса в бивалентном режиме, предусматривающая включение дополнительного теплогенератора в периоды, когда температура воздуха опускается ниже определенной (-5°С – в южных регионах, – 10°С – в центральных), является наиболее целесообразной. Это позволяет снизить стоимость теплового насоса и работ по монтажу первичного контура (прокладка траншей, бурение скважин и т.п.), которая сильно увеличивается при возрастании мощности установки.
Исходные данные
Чтобы инсталлировать в доме систему отопления на основе теплового насоса, необходимо обратиться в организацию, имеющую опыт разработки проектов, установки и наладки такого оборудования и соответствующие лицензии. Разумеется, стоит говорить только о продукции авторитетных западных производителей, доказавших качество своего оборудования годами успешной эксплуатации.
Для подбора теплонасосного оборудования для конкретного здания его владелец должен предоставить специалистам фирмы такую информацию:
- генплан участка с указанием на территории строений и деревьев;
- поэтажный план здания с указанием высоты и площади отапливаемых помещений;
- данные о материалах стен и крыши здания с указанием толщины слоев в конструкции;
- данные об окнах (количество оконных проемов и их размеры, материал рам, количество воздушных камер и качество стекол в стеклопакетах);
- имеющаяся электрическая мощность в кВт;
- планируемое отопление (радиаторное, теплый пол, смешанное).
