Теплові насоси застосовують, щоб опалювати дома, готувати гарячу воду, охолоджувати або осушувати повітря в кімнатах, вентилювати приміщення.
У США, Японії, Німеччині, Швеції, Швейцарії, Австрії, Фінляндії такі установки упроваджуються просто швидкісними темпами. Адже жителі цих небідних країн гроші рахувати уміють і даремно ними не розкидаються. Втім, справжнім лідером використання теплових насосів є все-таки Швеція, що здійснює тотальну програму їх впровадження. У цій країні для роботи теплових насосів використовується вода Балтійського моря з температурою +4 °С. Станція потужністю 320 Мвт розташована на шести баржах, що причалили до берега. До теперішнього часу в світі експлуатуються понад 15 млн. теплових насосів потужністю від декількох кіловат до сотень мегават, а ринок щорічних продажів складає близько мільйона установок.
В Україні теплові насоси тільки-тільки починають з'являтися. Якщо сонячні батареї і вітрові ел. генератори широко відомі, то про теплові насоси мало що відоме навіть в середовищі будівельників, а вже споживачі і зовсім задовольняються лише чутками. Найпоширеніших два: що це дуже дороге задоволення і що так просто не буває, тому що все дуже вже горно виходить.
Основні переваги теплових насосів
1) Економічність. Тепловий насос використовує введену в нього енергію значно ефективніше за будь-які котли, що спалюють паливо. Величина ККД у нього набагато більша одиниці. Між собою теплові насоси порівнюють по особливій величині - коефіцієнту перетворення тепла (К), серед інших його назв зустрічаються коефіцієнти трансформації тепла, потужності, перетворення температур. Він показує відношення отримуваного тепла до витраченої енергії. Наприклад К = 3,5 означає, що, підвівши до машини 1 кВт, на виході ми отримаємо 3,5 кВт тепловій потужності, тобто 2,5 кВт природа пропонує нам безоплатно. В середньому 60-75% потреб теплопостачання будинку тепловий насос забезпечує безкоштовно. Цифри настільки зачаровують, що мимоволі приходить на думку приказка про безкоштовний сир. Дійсно, первинні витрати на насос і монтаж системи збору тепла досить ощутіми і складають $ 300-1200 на 1 кВт необхідної потужності опалювання. Але капіталовкладення окупляться за 4-9 років лише за рахунок палива, що зберігається, і електрики. При рівні цін, що склався, на енергоносії, тепловий насос по економічності поступаються лише газовим котлам (хоча почекаємо остаточної ціни на газ) але помітно виграють в рідкопаливних і електричних. Служать вони по 15-20 років до капремонту, тоді як газове опалювальне устаткування вимагає постійної зміни пальників з періодичністю в 3-5 років (вартість одного пальника складає 1000-1500$). Крім того, газове опалювальне устаткування вимагає постійного обслуговування, інакше воно стає небезпечним. Сумна статистика пожеж і нещасних випадків пов'язаних з газовим і дизельним опалювальним устаткуванням зростає з кожним днем. У перспективі, у зв'язку із зростанням цін на всі види палива, їх лідерство забезпечене.
2) Повсемісне використання. Джерело розсіяного тепла можна виявити в будь-якому куточку планети. Земля і повітря знайдуться і на самій покинутій ділянці, далеко від газових магістралей і ліній електропередач - скрізь цей агрегат роздобуде для себе "їжу", аби безперебійно опалювати ваш будинок, не залежавши від капризів погоди, постачальників дизельного палива або падіння тиску газу в мережі. Навіть відсутність потрібних 2-3 кВт електричної потужності не перешкода. Для приводу компресора в деяких моделях використовують дизельні або бензинові двигуни.
3) Екологічність. Теплові насоси не лише заощадять гроші, але і збережуть здоров'я мешканцям будинку і їх спадкоємцям. Агрегат не спалює паливо, значить, не утворюються шкідливі оксиди типу CO, СO2, NOх SO2, PbO2. Тому довкола будинку на грунті немає слідів сірної, азотистої, фосфорною кислот і бензолових з'єднань. Та і для планети вживання теплових насосів - благо. Адже за великим рахунком на ТЕС скорочується витрата палива на виробництво електрики. Вживані ж в теплових насосах фреони не містять хлорвуглеводнів і озонобезпечні.
4) Універсальність. Тепловий насос володіє властивістю оборотності (реверсивності). Він "уміє" відбирати тепло з повітря будинку, охолоджуючи його. Влітку надлишкову енергію інколи відводять на підігрівання басейну.
5) Безпека. Ці агрегати практично взриво- і пожежобезпечні. Немає палива, немає відкритого вогню, небезпечних газів або сумішей. Вибухати тут просто нічому, не можна також учадіти або отруїтися. Жодна деталь не нагрівається до температур, здатних викликати займання горючих матеріалів. Зупинки агрегату не наводять до його поломок або замерзання рідин. По суті, тепловий насос небезпечний не більш, ніж холодильник.
Як працює тепловий насос?
По суті, тепловий насос - це злегка перетворений холодильник. У обох є випаровувач, компресор, конденсатор і пристрій, що дроселює. Цикл роботи в холодильника і насоса абсолютно однаковий, різняться лише параметри налаштування. Навіть зовні, по розмірах і формі, вражаюче схожі один на одного. Холодильник працює, викачуючи тепло назовні. Тепловий насос працює за таким же принципом лише навпаки. Він нагнітає тепло з вулиці або ж з грунту у Вашу вітальню. У холодильнику тепло продуктів, що майже не відчувається, зрештою виділяється у вигляді гарячого потоку повітря, що відходить від трубчастої панелі конденсатора ("радіатор" на задній стінці). Тому, якщо з холодильника витягнути випаровуючу камеру (з трубами) і закопати в землю, ми і отримаємо тепловий насос, який обігріватиме кімнату теплим повітрям. А якщо конденсатор холодильника омивати водою, то її, нагріту, можна використовувати в радіаторах опалювання або у ваній.
На малюнку приведена схема принципового пристрою парокомпрессионних теплових насосів. У випарник насоса поступає вода з нізкопотенциального джерела тепла. Фреон підбирається такій, аби міг закипати навіть при мінусовій температурі. Тому, навіть коли зовсім холодну воду проганяють насосом через канали випаровувача, рідкий фреон все одно випаровується. Далі пара втягується в компресор, де стискується. При цьому його температура сильно збільшується (до 90-100°С). Потім гарячий і стислий фреон прямує в теплообмінник конденсатора, що охолоджується водою або повітрям. На холодних поверхнях пара конденсується, перетворюючись на рідину, а його тепло передається середовищу, що охолоджує. Воду використовують в системі опалювання або гарячого водопостачання, а фреон, тепер знову рідкий, прямує на вентиль, що дроселює, проходячи через який він втрачає тиск і температуру, а потім знову повертається у випарник.
Все. Цикл завершився і автоматично повторюватиметься, поки працює компресор. Конструкція теплового насосу виключає попадання холодоагенту у водяні магістралі систем опалювання, гарячого водопостачання і довкілля.
Описана схема роботи відноситься до агрегатів так званого парокомпресорного циклу. Окрім цих машин, існують також насоси абсорбція, термоелектричні, ежекторні. У побутових установках використовують в основному парокомпресорні машини.
Як підібрати тепловий насос?
Успіх використання теплового насосу в першу чергу залежить від того, звідки ви вирішите черпати низькотемпературне тепло, в другу - від способу обігріву вашого будинку (водою або повітрям). Річ у тому, що агрегат працює як перевалочна база між двома тепловими контурами: одним, що нагріває, на вході (на стороні випаровувача) і іншим, опалювальним, на виході (конденсатор). По вигляду теплоносія у вхідному і вихідному контурах насоса ми рекомендуємо: "грунт-вода", "вода-вода", "повітря-вода".
Але для всіх типів характерний ряд особливостей, про які корисно пам'ятати при виборі моделі. По-перше, тепловий насос виправдовує себе лише в будівлі, що добре утеплює, тобто з тепловтратами не більше 60 Вт/м2. Чим тепліше будинок, тим більше вигода. Як ви розумієте, опалювати вулицю, збираючи на ній же крихітки тепла - заняття безглузде. По-друге, чим більше різниця температур теплоносіїв у вхідному і вихідному контурах, тим менше коефіцієнт перетворення тепла (К), тобто менша економія електроенергії. Так вже працюють ці пристрої, незалежно від їх типу. Тому вигідніше підключення агрегату до низькотемпературних систем опалювання. Перш за все, мається на увазі обігрів від водяної підлоги або теплим повітрям, оскільки в цих випадках теплоносій по медичних вимогах не має бути гарячіше 35°С. А ось ніж гарячішу воду машина готує для вихідного контура (для радіаторів або душу), тим меншу потужність (до 15%) вона розвиває і тим більше витрачає електрики (до 12%). По-третє, для досягнення більшої вигоди практикується експлуатація теплових насосів в парі з додатковим генератором тепла (у таких випадках говорять про використання бівалентной схеми опалювання).
У будинку з великими тепловтратами ставити насос великої потужності (більше 30 кВт) невигідно. Він громіздкий, а працюватиме в повну силу всього лише близько місяця. Адже кількість дійсно холодних днів не перевищує 10-15% від тривалості опалювального сезону. Тому часто потужність теплового насоса призначають рівною 70-80% від розрахункової опалювальної. Вона покриватиме всі потреби будинку в теплі до тих пір, поки вулична температура не знизиться нижче певного розрахункового рівня (температури бівалентності), наприклад мінус 5-10°С. З цієї миті в роботу включається другий генератор тепла. Є різні варіанти його використання. Найчастіше таким помічником слугує невеликий електронагрівач, але можна поставити і рідкопаливний котел. Вибір найкращого варіанту - завдання фахівця.
Установки "грунт-вода"
Грунт - це, мабуть, найбільш універсальне джерело розсіяного тепла. Він акумулює сонячну енергію і круглий рік підігрівається від земного ядра. При цьому він завжди "під ногами" і здатний віддавати тепло незалежно від погоди. Адже на глибині вже 5-7 м температура практично постійна протягом всього року. Для середньої смуги Росії вона складає 5-8°С. Це дуже відповідні умови для роботи теплового насоса. Більш того, у верхніх шарах землі мінімум температури досягається на пару місяців пізніше за пік морозів - потреба в інтенсивному обігріві до цього часу зменшується. Необхідна енергія збирається теплообмінником, заглибленим в землю, і акумулюється в носієві, який потім насосом подається у випаровувач і повертається назад за новою порцією тепла. Як такого носія енергії використовують незамерзаючу екологічно нешкідливу рідину (її називають також "розсолом" або антифризом). Це може бути тридцятипроцентний водний розчин етилгліколю або пропіленгліколю. Є і інша схема збору тепла, коли замість "розсолу" у контурі циркулює фреон, який перетворюється на пару прямо в трубах теплосборника.. Але хоча ця схема підвищує ККД, її експлуатація складна. Сьогодні найбільш популярні системи з "розсолом". У них використовуються два види теплообмінників: грунтовий колектор і грунтовий зонд. Обоє виконуються з поліетиленових труб діаметром 25, 32 або 40 мм (чим більше - тим краще відбір тепла, але і дорожче система).
Грунтовий колектор (горизонтальний) є довгою трубою, горизонтально укладеною під шаром грунту. Головна перевага - універсальність і простота монтажу. Знайшов вільний майданчик - рий канавки і укладай. Недолік - велика потрібна площа під колектор - 25-50 м2 на 1 кВт потужності (причому майданчик можна використовувати лише під газон або однорічні квіти. Є різні схеми розкладки труби: петлева, змійка, зигзаг, плоскі і гвинтові спіралі різних форм і тому подібне.
Вибір визначається теплопровідністю грунту і геометрією ділянки. Продуктивність теплозбору більша на зволожених суглинках і менше на сухих піщаних ділянках. В середньому 1 м2 поверхні грунту може забезпечити "постачання" 10-35 Вт потужності. Довжину труби в одній петлі, причому цілісною, без роз'ємів, прагнуть обмежити (не більше 600 м), інакше помітно збільшується витрата енергії на циркуляційному насосі. Якщо потрібна велика потужність, петель роблять декілька.
В колекторів є особливість, що завдає багато клопоту будівельникам. Виявляється, температура шару грунту довкола труб поступово знижується, і тим сильніше, чим вище продуктивність теплового насосу. Вона може опускатися нижче за нуль, а масив навіть промерзати. Тому головна турбота будівельників теплозбірника - зробити його за розумні гроші таким, аби грунт встигав за літо набрати "тепловий жирок" і при цьому продовжував поставляти енергію для підготовки гарячої води. Єдиних норм тут немає, адже грунти і кліматичні умови районують.
Грунтові зонди (вертикальні колектори) - це система довгих труб, що опускаються в глибоку свердловину (50-150 м). Тут потрібний всього п'ятачок землі, зате потрібні дорогі бурильні роботи (від $ 20 за 1 погоний метр). На глибині завжди однакова температура - біля 10°С, тому зонди потужніші за горизонтальні колектори. Метр їх довжини поставляє від 30 до 100 Вт теплової потужності, залежно від грунту. Відомий з десяток різних конструкцій зондів, деколи вельми незвичайних (наприклад, у вигляді труб, замурованих в палі фундаменту будинку). Але найбільш застосовними є дві: труба в трубі і U-подібна. По одній лінії "розсіл" подається циркуляційним насосом вниз, по іншій їм же піднімається вгору, до випаровувача. У глибоких свердловинах збірку завжди захищають обсадною трубою, в дрібних не завжди.
Для покращення теплопередачі і підвищення міцності зонду зазор між землею або обсадною трубою і робочими трубами заповнюється бетонітом або бетоном. Якщо потрібно отримати велику потужність, таких теплозбірників роблять декілька. Відстані між ними - 5-7 м.
У вертикальних колекторів, окрім дорожнечі, є ще одне слабке місце, про яке нічого не говориться у фірмових буклетах. Як показали дослідження, рівновага процесів відбору тепла і відновлення "що живить" здатності грунту (довкола зонду земля охолоджується) настає лише через 4-5 років експлуатації. Тому насос в проект треба закладати помощніше. Наскільки - здатні сказати лише фахівці.
А ось що дійсно може доставити масу клопоту, так це отримання від служби воднагляду дозволу на буріння глибокої свердловини під зонд. Бо вірогідне обмерзання грунту здатне порушити поведінку водоносних шарів. Тому для невеликих котеджів можна закладати замість однієї глибокої декілька дрібніших (25-35 м) свердловин, оскільки на них схвалення чиновника не вимагається.
Установки "вода-вода"
Джерелом тепла можуть бути поверхневі (річки, озера) або грунтові води (свердловини), а також скидна вода технологічних установок. Самі насоси майже не відрізняються від тих, які працюють з "розсолом". Але завдяки вищій температурі теплоносія взимку річна ефективність використання пристроїв типа "вода-вода" виявляється найвищою. Шкода, що ця техніка хороша в основному лише для промислового використання. Дуже рідко виникають відповідні умови для приватника. Але якщо поруч тече незамерзающа річка, ви можете укласти петлю труби з антифризом на дно (притопивши вантажами) і обігріватися практично дарма. Звичайно, якщо водозахисна служба дасть добро.
Зі свердловиною складніше. Воду з неї (з розрахунку близько 0,25 м3/год на 1 кВт теплової потужності) свердловинним насосом подають прямо у випаровувач, а зливають... в другу свердловину, віддалену від першої вниз за течією води в підземному шарі на 15-20 м. При цьому водоносний шар повинен прийняти і відвести воду, що зливається, інакше маленька повінь вам забезпечена. Ясно, що такі пласти на малій глибині зустрічаються не скрізь, а для артезіанських свердловин отримати дозвіл у нас непросто. І ще треба захистити випаровувач від забруднення і корозії. Фільтрування і аналіз води обов'язкові. Якщо в ній надто багато солей, доведеться улаштувати проміжний теплообмінник, між ним і паливним насосом циркулюватиме деаерована чиста вода.
Установки "повітря-вода"
По універсальності використання в наших кліматичних умовах цей тип насосів займає доки друге місце. І самі насоси дешевші, і труб (з незмінними земляними роботами) не вимагається. Недолік один, але істотний: з морозного повітря багато тепла не відбереш. Стійко, хоча і із зменшеною потужністю, ці пристрої працюють до -15 °С, а потім треба включати інший котел. Коли йдеться про виборі "повітряних" агрегатів, корисно враховувати дві важливі обставини, зазвичай замовчуваних в статтях. По-перше, значення номінальної потужності, що наводиться в паспорті, відноситься до певної температури вуличного повітря. В кожної фірми вона своя. Це може бути і 0, і 2, і 10, і навіть 25°С. Значить, по ефективності всі машини треба порівнювати при однаковій температурі зовнішнього повітря. По-друге, з посиленням холодів тепловий насос розвиває помітно меншу (інколи втричі) потужність, тому додатковий обігрівач потрібний обов'язково.
Конструктивно пристрої типа "повітря-вода" виконуються за двома компонуваними схемами: спліт і моно. У першому випадку установка складається з двох блоків, сполучених комунікаціями. Один, зовнішній, включає потужний вентилятор і випаровувач (вмонтовується на ділянці недалеко від будинку). Другий, внутрішній, містить конденсатор і автоматику і встановлюється в приміщенні. Компресор може розташовуватися або зовні, аби не шумів в будинку, або у внутрішньому модулі. У моноблоках всі елементи збираються в загальному корпусі і вмонтовуються в будинку, а з вулицею з'єднуються гнучким повітропроводом. Вони постачаються більшістю фірм, але володіють обмеженою потужністю - зазвичай 3-16 кВт. Є моноблоки, що допускають як зовнішній, так і внутрішній монтаж. Останніми роками, у зв'язку з погіршенням вентиляції житла із-за широкого вживання нових герметичних вікон із склопакетами, теплові насоси "повітря-вода" отримали додатковий розвиток. Окрім опалювання і підготовки гарячої води, деякі моделі "навчилися" не лише працювати в системах вентиляції, але ще використовувати тепло відпрацьованого (відтічного) повітря приміщень.
За матеріалами Рідний дім |
