Вы тут:
Главная » Статьи » Геотермальная энергетика

Все про тепловой насос
Наши правнуки увидят отопительные котлы только в музее, а не у себя дома. Вместо них будут работать тепловые насосы. Но что это такое, пока у нас не знает даже большинство строителей, не говоря уж о населении.
 
Халява, сэр!
     По прогнозам Мирового Энергетического комитета (МИРЭК), к 2020 г. в развитых странах мира теплоснабжение будет осуществляться с помощью тепловых насосов. Эти устройства уже более четверти века успешно действуют в быту и промышленности как в Америке, так и в Европе, их количество исчисляется десятками миллионов. Причем во многих городах работают сотни крупных сооружений, обладающих мощностью, как у средней величины ТЭЦ. Но в данном случае мы будем говорить о приборах бытового назначения. 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 зажравшихся богачей и что так попросту не бывает, потому что все очень уж хорошо. Тепловой насос - это холодильная машина, в которой тепло от среды с низкой температурой передается теплоносителю с высокой температурой за счет затраты энергии на преобразование рабочего тела машины. Меж тем за рубежом тепловые насосы применяют, чтобы отапливать дома, готовить горячую воду, охлаждать или осушать воздух в комнатах, вентилировать помещения. "Да зачем же ломиться в открытую дверь? - спросите вы. - Есть отлично действующие котлы, бойлеры, кондиционеры, осушители, которые и выполняют эту работу!". Да, есть. Но таких приборов нужен целый комплект, а здесь одна установка может сделать все или почти все то же самое, но дешевле.
     Тепловой насос использует тепло, рассеянное в окружающей среде: в земле, воде, воздухе. (Его специалисты называют низкопотенциальным теплом.) Недаром в США, Японии, Германии, Швеции, Швейцарии, Австрии, Финляндии такие установки внедряются просто скоростными темпами. А ведь жители этих небедных стран денежки считать умеют и зря ими не разбрасываются.
     Затратив 1 кВт электроэнергии в приводе насоса, можно получить 3, 4, а часто и 5-6 кВт тепловой энергии. И хотя это выглядит чудом, с ним, как оказывается, мы знакомы давно. По сути, тепловой насос - это слегка преобразованный холодильник. Даже внешне, по размерам и форме, тепловой насос поразительно похож на своего сородича. Только в холодильнике почти не ощущаемое тепло продуктов в конечном итоге выделяется в виде довольно горячего потока воздуха, отходящего от трубчатой панели конденсатора ("радиатор" на задней стенке). Поэтому, если из нашего кухонного помощника вытащить испарительную камеру (с трубами) и закопать в землю, мы и получим тепловой насос, который будет обогревать комнату теплым воздухом. А если конденсатор холодильника омывать водой, то ее, нагретую, можно использовать в радиаторах отопления или в ванной.
       Тепловые насосы исправно приносят пользу уже с 1830 г. Но первый бум их популярности пришелся только на годы разрухи после Второй мировой войны, когда топлива в странах Европы катастрофически не хватало. В наши дни истощение мировых нефтяных запасов дало толчок новому всплеску интереса к этим устройствам. И неспроста. Такие машины завоевывают популярность благодаря многим достоинствам. Экономичность. 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 тепловых насосов 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. В среднем 60-75% потребностей теплоснабжения дома тепловой насос 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 тепловой насос 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.
     Повсеместность применения. Источник рассеянного тепла можно обнаружить в любом уголке планеты. Земля и воздух найдутся и на самом заброшенном участке, вдали от газовых магистралей и линий электропередач - везде этот агрегат раздобудет для себя "пищу", чтобы бесперебойно отапливать ваш дом, не завися от капризов погоды, поставщиков дизельного топлива или падения давления газа в сети. Даже отсутствие нужных 2-3 кВт электрической мощности не помеха. Для привода компрессора в некоторых моделях используют дизельные или бензиновые движки. Тепловой насос 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 теплового насоса - благо. Ведь по большому счету на ТЭЦ сокращается расход топлива на производство электричества. Применяемые же в тепловых насосах фреоны не содержат хлоруглеродов и озонобезопасны. Универсальность.
     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). Безопасность. 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, тепловой насос опасен не более, чем холодильник.
     Принцип действия теплового насоса 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 прогоняют насосом через каналы испарителя, жидкий фреон все равно испаряется. Далее пар втягивается в компрессор, где сжимается. При этом его температура сильно увеличивается (до 90-100°С). Затем горячий и сжатый фреон направляется в теплообменник конденсатора, 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, а фреон, теперь снова жидкий, направляется на дросселирующий вентиль, проходя через который он теряет давление и температуру, а затем опять возвращается в испаритель. Все. Цикл завершился и будет автоматически повторяться, пока работает компрессор. Описанная схема работы относится к агрегатам так называемого парокомпрессионного цикла. Помимо этих машин, существуют также насосы абсорбционные, термоэлектрические, эжекторные.
     В бытовых установках используют в основном парокомпрессионные машины. На два фронта Успех применения теплового насоса 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". 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 теплового насоса в паре с дополнительным генератором тепла (в таких случаях говорят об использовании бивалентной схемы отопления). 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 теплового насоса 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, но можно поставить и жидкотопливный котел. Выбор наилучшего варианта - задача специалиста. Возможности в полной мере использовать достоинства тепловых насосов у нас сегодня имеются. И хотя едва ли треть мировых производителей тепловых насосов поставляют к нам свои изделия, их дилеры готовы смонтировать оборудование в любой точке страны. Дело за малым - за желанием россиян нагнуться и взять тепло из-под ног.
       Сегодня наиболее популярны системы с "рассолом". В них используются два вида теплообменников: грунтовый коллектор и грунтовый зонд. Оба выполняются из полиэтиленовых труб диаметром 25, 32 или 40 мм (чем больше - тем лучше отбор тепла, но и дороже система). Грунтовый коллектор (горизонтальный) представляет собой длинную трубу, горизонтально уложенную под слоем грунта. Главное достоинство - универсальность и простота монтажа.
      Нашел свободную площадку - рой канавки и укладывай. Недостаток - большая потребная площадь под коллектор - 25-50 м2 на 1 кВт мощности (причем площадку можно использовать только под газон или однолетние цветы). Есть разные схемы раскладки трубы: петля, змейка, зигзаг, плоские и винтовые спирали разных форм и т. п. Выбор определяется теплопроводностью грунта и геометрией участка. Производительность теплосбора больше на увлажненных суглинках и меньше на сухих песчаных участках. В среднем 1 м2 поверхности грунта может обеспечить "поставку" 10-35 Вт мощности. Длину трубы в одной петле, причем цельной, без разъемов, стремятся ограничить (не более 600 м), иначе заметно увеличивается расход энергии на циркуляционном насосе. Если нужна большая мощность, петель делают несколько.
       У коллекторов есть особенность, доставляющая массу хлопот строителям. Оказывается, температура слоя грунта вокруг труб постепенно снижается, и тем сильнее, чем выше производительность теплового насоса. Она может опускаться ниже нуля, а массив даже промерзать. Поэтому главная забота строителей теплосборника - сделать его за разумные деньги таким, чтобы грунт успевал за лето набрать "тепловой жирок" и при этом продолжал поставлять энергию для подготовки горячей воды. Единых норм здесь нет, ведь грунты и климатические условия районированы.  Грунтовые зонды (вертикальные коллекторы) - это система длинных труб, опускаемых в глубокую скважину (50-150 м). Здесь нужен всего пятачок земли, зато требуются дорогостоящие бурильные работы (от $ 20 за 1 пог. м). На глубине всегда одинаковая температура - около 10°С, поэтому зонды мощнее горизонтальных коллекторов. Метр их длины поставляет от 30 до 100 Вт тепловой мощности, в зависимости от грунта. Известен с десяток разных конструкций зондов, порой весьма необычных (например, в виде труб, замурованных в сваи фундамента дома). Но наиболее применимыми являются две: труба в трубе и U-образная. По одной линии "рассол" подается циркуляционным насосом вниз, по другой им же поднимается вверх, к испарителю. В глубоких скважинах сборку всегда защищают обсадной трубой, в мелких не всегда. Для улучшения теплопередачи и повышения прочности зонда зазор между землей или обсадной трубой и рабочими трубами заполняется бетонитом или бетоном. Если нужно получить большую мощность, таких теплосборников делают несколько. Расстояния между ними - 5-7 м.
 
Категория: Геотермальная энергетика | Добавил: wizold (06.04.2011)
Просмотров: 1739 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Имя *:
Email *:
Код *:
Solar-Time (c) 2014-2017 // AlexandrS
SiteMap.xml
Наверх