Системы на базе тепловых насосов
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ
Источниками энергии для тепловых насосов являются:
1. Земля - является самым большим аккумулятором энергии из всех доступных человечеству. На глубине от 10 метров температура земли положительна и постоянна в течение года (от +5 0С для г Хабаровск)). Забор тепла земли осуществляется через теплообменники, представляющие собой коллекторы пластиковых труб с циркулирующим раствором воды или антифриза. Гарантийный срок службы такого теплообменника составляет 50 лет! Системы с тепловыми насосами и подземными теплообменниками называются геотермальным тепловым насосом.
2. Вода
- Грунтовая: имеет постоянную температуру (обычно +7-8 С). Если имеются близлежащие источники достаточного объема - инсталляция экономичнее земляных теплообменников. Обычно применяются один или два колодца.
- Стоки: промышленные, канализационные и т.п. Стоки имеют относительно высокую температуру, поэтому тепловые насосы работают с высокой эффективностью.
- Вода из водоемов, рек. Петли труб также могут погружаться на дно. Такая инсталляция одна из самых экономичных.
3. Воздух. Классическими тепловыми насосами, работающими с двумя воздушными средами являются кондиционеры (воздух-воздух). Тепловые насосы (вода-воздух) переносят избыточное тепло из помещения в водяную среду. Таким образом они охлаждают помещения летом или переносят избыточное тепло из одного помещения в другое, осуществляя его обогрев. (Например из цеха пекарни в офисные помещения).
Никогда еще сырье для выработки энергии не было таким дефицитным ресурсом, как в XXI веке. Одна из технологий, позволяющих снизить остроту энергетического кризиса - технология геотермальных тепловых насосов (ГТН). Основана она на использовании энергии Земли, самого большого из доступных человечеству естественных аккумуляторов.
В недрах температура всегда стабильна и составляет около 5-10°С. Таким образом, в Земле сосредоточено колоссальное количество низкопотенциального тепла.
Геотермальный насос при обогреве примерно на 66 - 75% использует возобновляемую солнечную энергию, аккумулированную в земле и на 25-34% - электрическую энергию. Таким образом, он в 3 - 4 раза эффективнее оборудования на электрическом сопротивлении. ГТН также экономичны при работе в режиме охлаждения, т.к. сбрасывают избыточное тепло в землю (относительно холодную среду).
Геотермальный тепловой насос (ГТН) - это система, включающая тепловой насос, грунтовый теплообменник (обычно регистр из пластиковых труб с циркулирующей незамерзающей жидкостью) и контур распределения внутри здания. Такие системы могут иметь дополнительно водонагреватели, увлажнители и другие устройства, обеспечивающие климатические потребности всего помещения.
Системы ГТН обеспечивают полное кондиционирование - обогревают, охлаждают и регулируют влажность. Они также могут снабжать горячей водой. Одна такая установка успешно заменяет печь, водонагревательный котел и кондиционер. ГТН имеют существенные преимущества по сравнению с традиционными системами микроклимата. Область применения ГТН практически не ограничена. Существуют установки, работающие даже в вечной мерзлоте!
На рынке России ГТН - новинка, однако в развитых странах эти устройства производятся и успешно эксплуатируются уже более 30 лет. Правительства этих стран активно поощряют организации и частных пользователей.
Вы можете использовать энергию, накопленную в земле для отопления и охлаждения.
Для этого применяются различные варианты грунтовых теплообменников. Они используют естественную способность земли накапливать и возобновлять энергию. Температура под землей довольно постоянна в течение года (на глубине от 5 м изменяется в пределах нескольких градусов), поэтому тепловой насос с грунтовым теплообменником практически не зависит от колебаний температуры окружающего воздуха в отличие от воздушных кондиционеров.
Конкретная конфигурация теплообменника выбирается в зависимости от местного климата, типа почвы, требуемых нагрузок на кондиционирование и отопление.
Рассмотрим основные типы грунтовых теплообменников.
Теплообменники закрытой петли.
Петли состоят из замкнутого контура пластмассовых высокопрочных труб, устроенных горизонтально или вертикально. Жидкость, циркулирующая в петлях, обычно содержит антифриз для предотвращения замораживания. Требуется достаточная длина трубопровода, чтобы гарантировать нужную передачу тепловой энергии из земли.
ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК (ЗАКРЫТАЯ ПЕТЛЯ).
При данной системе вода/антифриз циркулирует в пластиковых трубах, вставленных в скважины, глубиной 50, 100 м (от 10 до 30 м на кВт мощности). Обычно требуется несколько скважин, расположенных в интервале 3 м с установленными трубами для достижения суммарных требований теплового обмена. Вертикальные системы наиболее подходят при ограниченном пространстве земли, при глубоком уровне подземных вод и при каменистой или скалистой почве. Гарантийный срок службы теплообменника 50 лет.
Преимущества: Требуют меньшую общую длину труб, чем большинство проектов закрытых петель; требует наименьшую энергию насоса из всех систем закрытой петли; требует наименьшей площади поверхности земли; подземная температура обычно не зависит от сезонных колебаний.
Недостатки: требуется оборудование для бурения; расходы на бурение часто выше расходов на горизонтальную траншею
ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК (ЗАКРЫТАЯ ПЕТЛЯ)
Как и в вертикальном теплообменнике вода/антифриз циркулирует по пластиковым трубам, проложенным в земле. В горизонтальной системе трубы находятся в траншеях, глубиной до 3-х метров и длиной от 7,5 до 40 м в зависимости от типа почвы. В траншею может устанавливаться до шести труб, с адекватным интервалом между ними. Трубы могут также быть спиральными, что позволяет сохранить производительность с меньшей траншей. Гарантийный срок службы теплообменника 50 лет.
Преимущества: Установка горизонтальных тепловых обменников стоит меньше, чем вертикальных, т.к. расходы на раскопку траншей обычно ниже, чем на бурение; гибкие варианты установки.
Недостатки: Требуется большая площадь земли и длина труб; несколько менее эффективна по сравнению с вертикальной и открытой системой; температура под землей на небольшой глубине зависит от сезонных колебаний
СИСТЕМА С ВОДОЕМОМ (ЗАКРЫТАЯ ПЕТЛЯ)
Система с водоемом может быть наиболее экономичной при инсталляции и работе. Как и при вертикальной и горизонтальной системах, состоит из закрепленных на дне пластиковых труб с циркулирующей водой/ антифризом. Система использует высокие теплопроводные свойства воды. При этом не требуются скважины или траншеи, что значительно уменьшает расходы на инсталляцию. Также система с водоемом практически не зависит от колебаний температуры окружающего воздуха в отличие от воздушных кондиционеров.
Преимущества: Может потребоваться наименьшая общая длина труб по сравнению с другими проектами закрытой петли; может быть наиболее дешевым проектом, если достаточно воды.
Недостатки: Требуется большой объем воды.
СИСТЕМА С КОЛОДЦАМИ (ОТКРЫТАЯ ПЕТЛЯ).
Эта система забирает воду из водоносного слоя в одном колодце, пропускает через тепловой насос, где отбирается или сбрасывается тепло, затем возвращает обратно в водоносный слой (вода сливается во второй колодец). Температура грунтовой воды постоянна (изменяется обычно в пределах одного градуса) в течение года, независимо от колебаний температуры воздуха. Поэтому тепловой насос будет работать с высокой эффективностью при любых погодных условиях. Эта система идеально подходит в случаях, когда имеются/возможны колодцы.
Преимущества: Простой проект, обычно имеет самую низкую стоимость; меньший объем бурения по сравнению с системами закрытой петли; имеют лучшие термодинамические характеристики, чем системы закрытой петли, т.к. используют доставляемую подземную воду земли с температурой лучше, чем в закрытом теплообменнике; может быть совмещена с питьевым колодцем; более низкие операционные расходы, если вода уже накачивается для других целей, например, для ирригации.
Недостатки: требуется большой поток воды; наличие воды может быть ограничено или не всегда возможно.; оборудование напрямую контактирует с грунтовыми водами на него влияет содержание жидкости (коррозийных веществ, твердых частиц и содержания бактерий); обычно требуется наибольшее количество энергии для накачки воды; могут потребоваться разрешения на скважины или возможны ограничения на использование подземных вод; сброс воды также может быть ограничен; высокие расходы на установку, если требуется другая скважина для возвращения воды.
Система имеет стандартное гарантийное обслуживание от 1 до 5 лет. Устройства ГТН автономны, и требования по техническому обслуживанию ясны и не требуется новых навыков ТО.
Т.к. ГТН обычно не имеет наружных элементов, подвергающиеся различным атмосферным и иным воздействиям (исключения системы с открытой петлей), то ГТН действительно требуют меньшего ТО, чем обычные воздушные кондиционеры.
Стандартное ТО для водо-воздушных ТН - это замена воздушного фильтра, выполняемая по мере надобности. Не требует особых навыков и сложных манипуляций.
В системах с закрытой петлей, подземная петля фактически не требует ТО. Циркуляционный насос требует стандартного ТО, как с любым насосом или системой с мотором, и петля с водой (закрытой системы) должна по режиму проверяться на температуру, давление, течение и концентрацию антифриза. Если нет течей, не требуется никаких дополнительных действий.
В системах открытой петли, требуемое ТО колодца идентично любому другому водному колодцу. Система должна контролироваться по графику на температуру, давление и течение. Т.к. ТН снабжается подземной водой, теплообменники должны обследоваться на возможные засорения и образования окалины. Главным образом широко известно, что требования к общему ТО, более низкие по сравнению с альтернативными технологиями.