Национальная энциклопедия строительства ProfiDom.com.ua, завершает своей рассказ, начатый в предыдущей публикации, касающейся истории появления, принципам работы, а также – достоинствам и недостаткам тепловых насосов.
Типы теплосборников для тепловых насосов
Источники тепловой энергии для тепловых насосов могут быть различными — геотермальными (замкнутого и открытого типа), воздушными, использующими вторичное тепло. Рассмотрим каждый из этих источников подробнее.
Геотермальные тепловые насосы потребляют тепловую энергию грунта либо грунтовых вод и подразделяются на два типа — замкнутый и открытый.
Замкнутые тепловые источники подразделяются на следующие типы:
- Горизонтальные, - при этом собирающий тепло коллектор располагается кольцами или зигзагами в траншеях глубиной от 1,3 метра и более (ниже глубины промерзания). Данный метод размещения контура теплосборника эффективен при малой площади земельного участка.
Геотермальное отопление с горизонтальным теплосборником
- Вертикальные, - т. е. коллектор теплосборника размещается в вертикальные скважины, погружённые в грунт на глубину до 200 м. К этому методу размещения коллектора прибегают в случаях, если нет возможности уложить контур горизонтально или имеется угроза нарушения ландшафта.
Геотермальное отопление с вертикальным теплосборником
- Водные, - при этом, коллектор контура располагается зигзагообразно либо кольцевидно на дне водоёма, ниже уровня его промерзания. По сравнению с бурением скважин данный метод наиболее дёшев, однако зависит от глубины и общего объёма воды в водоёме, в зависимости от региона.
В тепловых насосах открытого типа для теплообмена используется вода, которая по прохождении через тепловой насос сбрасывается обратно в грунт. Использовать данный метод возможно, лишь, при условии химической чистоты воды и при допустимости использования грунтовых вод в этой роли, с точки зрения законодательства на конкретной территории.
Геотермальное отопление открытого типа
В воздушных контурах, соответственно, в качестве источника тепловой энергии используется воздух.
Отопление воздушным тепловым насосом
Вторичные (производные) источники тепла используются, как правило, на предприятиях, рабочий цикл которых связан с выработкой сторонней (паразитарной) тепловой энергией, требующей дополнительной утилизации.
Первые модели тепловых насосов были полностью схожи с описанной выше конструкцией, изобретённой Робертом Уэббером — медные трубы контура, выступавшего одновременно в роли внешнего и внутреннего, с циркулирующим в них хладагентом погружались в грунт. Испаритель в такой конструкции размещался под землёй на глубине, превышающей глубину промерзания или в пробуренные под углом либо вертикальные скважины (диаметр от 40 до 60 мм) на глубину от 15 до 30 м.
Контур прямого обмена (он получил такое название) позволяет разместить его на небольшой площади и при использовании труб малого диаметра обойтись без промежуточного теплообменника. Прямой обмен не требует принудительной прокачки теплоносителя, раз нет необходимости в циркуляционном насосе, то и электроэнергии тратится меньше. Кроме того, тепловой насос с контуром прямого обмена можно эффективно использовать даже в условиях низких температур — любой объект излучает тепло, если его температура выше абсолютного нуля (-273,15 °С), а хладагент способен испаряться при температуре до -40 °С. Недостатки такого контура: большие потребности в хладагенте; высокая стоимость медных труб; надёжное соединение медных секций возможно лишь методом пайки, иначе утечки хладагента не избежать; потребность в катодной защите в условиях кислых почв.
Забор тепла от воздушной среды более всего подходит для жаркого климата, поскольку при минусовой температуре его эффективность серьёзно понизится, что потребует дополнительных источников отопления. Преимущество воздушных тепловых насосов — в отсутствии необходимости дорогостоящего бурения скважин, поскольку внешний контур с испарителем и вентилятором размещается на участке неподалёку от дома. Кстати, представителем воздушного одноконтурного теплового насоса является любая моноблочная или сплит-система кондиционирования воздуха.
Воздушный тепловой насос
Тепловая энергия из водоёма извлекается путём укладки контура, выполненного из пластиковых труб, на дно реки или озера. Глубина укладки от 2-х метров, трубы прижимаются ко дну грузом из расчета 5 кг на метр длины. С каждого погонного метра такого контура извлекается порядка 30 Вт тепловой энергии, т. е. для теплового насоса мощностью 10 кВт понадобится контур общей протяжённостью 300 м. Достоинства такого контура в относительно невысокой стоимости и простоте монтажа, недостатки — при сильных заморозках получение тепловой энергии невозможно.
Укладка контура теплового насоса в водоём
Для извлечения тепла из грунта, контур из труб ПВХ помещается в котлован, отрытый на глубину, превышающую глубину промерзания не менее чем на полметра. Дистанция между трубами должна составить около 1,5 м, теплоноситель, циркулирующий в них — антифриз (обычно водный рассол). Эффективная работа грунтового контура напрямую связана с влажностью грунта в точке его размещения — если грунт песчаный, т. е. не способный удерживать воду, то длину контура необходимо увеличить примерно вдвое. С погонного метра грунтового контура тепловой насос может извлечь в среднем от 30 до 60 Вт тепловой энергии, в зависимости от климатической зоны и типа грунта. 10 кВт тепловому насосу потребуется 400 метровый контур, уложенный на участке площадью 400 кв.м
Укладка горизонтального контура теплового насоса
Получение тепла из скальной породы потребует либо прокладки скважин диаметром от 168 до 324 мм на глубину от 100 метров, либо выполнение нескольких скважин меньшей глубины. В каждую скважину опускается контур, состоящий из двух пластиковых труб, соединённых в нижней точке металлической U-образной трубой, выступающей в роли груза. По трубам циркулирует антифриз — только 30% раствор спирта этилового, поскольку в случае утечки он не нанесёт вреда экологии. Скважина с установленным в ней контуром со временем заполнится грунтовыми водами, которые будут подводить тепло к теплоносителю.
Каждый метр такой скважины даст около 50 Вт тепловой энергии, т. е. для теплового насоса мощностью 10 кВт потребуется пробурить 170 м скважины. Для получения большей тепловой энергии бурить скважину глубже 200 м не выгодно — лучше проделать несколько более мелких скважин на дистанции 15–20 м между ними. Чем больше диаметр скважины, тем на меньшую глубину её необходимо бурить, при этом достигается больший забор тепловой энергии — порядка 600 Вт с погонного метра.
Монтаж геотермального зонда
По сравнению с контурами, размещёнными в грунте или водоёме, контур в скважине занимает минимум места на участке, саму скважину можно выполнить в любом типе грунта, в т. ч. по скальной породе. Теплоотдача скважинного контура будет стабильной в любое время года и при любой погоде. Однако окупаемость такого теплового насоса займёт несколько десятилетий, поскольку его установка обойдётся домовладельцу более чем в миллион рублей.
Заключение
Преимущество тепловых насосов — в высокой экономичности, поскольку для получения в час одного киловатта тепловой энергии эти установки затрачивают не более 350 ватт электроэнергии в час. Для сравнения — КПД электростанций, вырабатывающих электроэнергию путём сжигания топлива, не превышает 50%. Система теплового насоса работает в автоматическом режиме, эксплуатационные затраты в период её использования крайне низкие — необходима лишь электроэнергия для работы компрессора и насосов. Габаритные размеры установки теплового насоса примерно равны размерам бытового холодильника, уровень шумности при работе также совпадает с аналогичным параметром бытовой холодильной установки.
Тепловой насос «солевой раствор — вода
Использовать тепловой насос можно как для получения тепловой энергии, так и для её удаления — переключением работы контуров на охлаждение, при этом тепловая энергия из помещений дома будет удаляться через внешний контур в грунт, воду или воздух.
Единственный недостаток системы отопления, основанной на тепловом насосе — её высокая стоимость. В странах Европы, а также в США и Японии, теплонасосные установки достаточно распространены — в Швеции их более полумиллиона, а в Японии и США (в особенности в штате Орегон) — несколько миллионов. Популярность тепловых насосов в этих странах объясняется их поддержкой государственными программами в виде субсидий и компенсаций домовладельцам, установившим такие установки.
Вне всякого сомнения, что в ближайшем будущем тепловые насосы перестанут быть чем-то диковинным и в Украине, если учитывать ежегодный рост расценок на природный газ, сегодня являющийся единственным конкурентом для тепловых насосов в отношении финансовых затрат на получение тепловой энергии.
