Геотермальные системы отопления и тепловые насосы VMtec, NIBE

Альтернативные источники электроэнергии

Теплонасосы – это будущее в развитии отопления.

Солнце - самый мощный источник энергии, оно нагревает воздух, воду, земную поверхность и глубины. Но лишь минимальное количество этой "бесплатной" энергии используется в наши дни.

Теплонасосы, как альтернативный и один из самых уникальных источников энергии, предоставляет нам возможность осуществить процесс отопления без загрязнения окружающей среды вредными выбросами и чрезмерного потребления природных ресурсов, одновременно ощутимо уменьшая денежные затраты

Большинство населения России пока не знакомы с понятием "тепловой насос", но постоянно используют тепловые насосы в обычных холодильниках и кондиционерах. Холодильники и кондиционеры стали настолько надежными, удобными и привычными, что мы перестали обращать внимание на их работу. 

Тепловые насосы не являются какими-то чудесными устройствами, действие которых понимают только продавцы и установщики тепловых насосов. Тепловой насос следует рассматривать как любое другое отопительное устройство, которое используется для производства тепла, и в отношении которого действуют все законы, касающиеся энергии. Как и у каждого способа отопления, у теплового насоса есть свои особенности, сильные и слабые стороны. Теплотехнические расчёты у всех способов получения тепла одинаковые. Правила термодинамики действуют как при дровяном печном отоплении, так и при управляемой через Интернет геотермальной климатической установке.

Тепловые насосы – это новейшие компактные экономичные и экологически чистые системы отопления, которые давным-давно уже используется на западе. Тепловые насосы широко распространены в США, Японии и странах Европейского сообщества. В этих странах установлены даже строительные нормы, которые предусматривают обязательное использование тепловых насосов при строительстве новых домов и зданий. В некоторых странах, например, Швеции - 70% отопления составляют именно тепловые насосы. По приблизительным подсчетам установлено около 100 млн. тепловых насосов во всем мире.

Тепловой насос — устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой.

Принцип работы теплового насоса отображен в цикле Карно, опубликованном в 1824 г. в его диссертации, и изучается в школьном курсе физики. Практическую теплонасосную систему предложил лорд Кельвин в 1852 г. под названием „умножитель тепла”.

Принципиальная схема представлена на рисунке. Схематично тепловой насос можно представить в виде системы из трех замкнутых контуров:

в первом, внешнем, циркулирует теплоотдатчик (теплоноситель, собирающий тепло окружающей среды),

во втором — хладагент (вещество, которое испаряется, отбирая тепло у теплоотдатчика, и впоследствии конденсируется, отдавая тепло теплоприемнику),

в третьем — теплоприемник (вода в системах отопления и горячего водоснабжения здания).

Термодинамически тепловой насос представляет собой обращённую холодильную машину. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель - теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Использование тепловых насосов – это экологически чистый метод отопления и кондиционирования, так как здесь используется возобновляемая Солнцем тепловая энергия Земли.

Известно, что почти 40 % всей эмиссии двуокиси углерода – это результат использования энергии для отопления, кондиционирования и обеспечения потребности населения в горячей воде, что почти сопоставимо с уровнем вреда, приносимым выбросом в атмосферу выхлопных автомобильных газов. Тепловые насосы представляют собой механизмы, работающие на источнике нетрадиционной энергии, что позволяет примерно на 60% уменьшить выброс в атмосферу двуокиси углерода.

Любой источник тепла можно пустить в дело, будь то грунт, вода или воздух. С развитием тепловых насосов отопление становиться экологически чистым и входит в моду. Рынок отопительного оборудования быстро отреагировал на эту тенденцию. Независимо от того, идет ли речь о каминных печах или, замена привычного газового или жидкотопливного котла нисколько не отражается на уровне жилищного комфорта, но позволяет домовладельцам достичь существенной финансовой экономии. На сегодняшний день, по отечественным расценками на газ, это экономия в 2 - 2,5 раза.

Энергетическая эффективность теплового насоса очень высока: на один киловатт затраченной электроэнергии тепловой насос выдает 3 - 5 киловатт тепловой. Помимо финансовых преимуществ нельзя не принимать во внимание экологический аспект использования теплонасосов: полное отсутствие выбросов углекислого газа (СО2), что очень немаловажно в настоящее время.

Эти агрегаты практически взрыво - и пожаробезопасны. Нет топлива и открытого огня, никаких вытяжных труб, отсутствуют опасные газы или смеси – таким образом, взрываться здесь просто нечему. 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.

Теплонасосы  представляют собой многофункциональные устройства - они используются для отопления, охлаждения жилых, производственных и торговых помещений, подготовки горячей воды, а также вентиляции зданий с утилизацией тепла отработанного воздуха. Примерно три четверти энергии, необходимой для этих целей, тепловой насос берет из окружающей среды, оставшаяся часть покрывается электрическим током, необходимым для работы компрессора теплового насоса.

Тепловой насос работает бесшумно (не громче холодильника), а погодозависимая автоматика и мультизональный контроль создают желаемый микроклимат в помещениях.

Их можно без проблем устанавливать в частых жилых домах, где они прекрасно вписываются в интерьер помещения и не портят дизайн. При необходимости их также можно комбинировать с существующими или централизованными системами водного отопления.

Потребителей чрезвычайно привлекает тот факт, что тепловые насосы избавлены от большинства недостатков централизованного теплоснабжения – так, в отличие от газовых котлов, а также котлов на жидком и твердом топливе, они характеризуются отличными показателями экономичности работы (благодаря уникальному принципу действия – см. ниже), вследствие чего ежемесячные расходы уменьшаются от 2-х до 10-и раз. Кроме того, тепловые насосы имеют длительный срок службы до капитального ремонта (до 15 - 25 отопительных сезонов) и работают полностью в автоматическом режиме. Поэтому наиболее оправдано их применение в энергоэффективных экодомах.

Мощность системы может быть в пределах 2 - 1 000 КВт. Не менее важная деталь, о которой необходимо сказать, что существует возможность работы в каскаде, где суммарная мощность теплонаносных установок может достигать 3 000 – 8 000 кВт, а при необходимости и больше.

При применении данного оборудования необходимо помнить, что для всех типов тепловых насосов характерен ряд особенностей:

1. Во-первых, тепловой насос оправдывает себя только в хорошо утепленном здании, то есть с теплопотерями не более 100 Вт/м2. Чем теплее дом, тем больше выгода. Как вы понимаете, отапливать улицу, собирая на ней же крохи тепла – занятие довольно бессмысленное.

2. Во-вторых, чем больше разница температур теплоносителей во входном и выходном контурах, тем меньше коэффициент преобразования тепла, то есть меньше экономия электроэнергии. Поэтому более выгодным будет подключение агрегата к низкотемпературным системам отопления. Здесь, прежде всего, имеется в виду обогрев от водяных полов или теплым воздухом, так как при таких условиях температура теплоносителя по медицинским требованиям не должна превышать 35°С.

3. В-третьих, для достижения большей выгоды практикуется эксплуатация тепловых насосов в комплекте 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 устанавливают равной 70-80% от расчетной отопительной, так как 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. Чаще всего таким помощником служит небольшой электронагреватель, но можно поставить и жидкотопливный котел. Возможны и более сложные тепловые бивалентные схемы, например, включение солнечного коллектора. У некоторых серийных систем тепловых насосов и солнечных коллекторов такая возможность предусмотрена в конструкции. В этом случае смешивание тепла, идущего от теплового насоса (достаточно инерционная система) и от солнечного коллектора (малоинерционная система) производится в выравнивающем бойлере.

Как уже упоминалось ранее, существует несколько видов тепловых насосов, которые отличаются друг от друга в зависимости от источника тепловой энергии. При этом к ним предъявляются следующие необходимые требования -

Источником энергии может быть грунт, скальная порода, озеро, вообще любой источник тепла с температурой - 1 градус Цельсия и выше, доступный в зимнее время. Это может быть река, море, выход теплого воздуха из системы вентиляции или какого-либо промышленного оборудования. Внешний контур, собирающий тепло окружающей среды, представляет собой полиэтиленовый трубопровод, уложенный в землю или в воду. 

Материал трубопровода — РМ.
Диаметр трубопровода — 40 мм.
Теплоноситель — 30% раствор этиленгликоля (либо этилового спирта).
Расчет длины трубопровода, уложенного в землю или опущенного в скважину, рассчитывается по специальной программе

 Таким образом, различают следующие типы насосов:
Грунт-вода.

Грунт – это, пожалуй, наиболее универсальный источник рассеянного тепла. Он аккумулирует солнечную энергию и подогревается изнутри от земного ядра. При этом он всегда «под ногами» и способен отдавать тепло вне зависимости от погоды, ведь на глубине 5-7 м температура практически постоянна в течение всего года.

Необходимая энергия собирается теплообменником, заглубленным в землю, и аккумулируется в носителе, который затем насосом подается в испаритель и возвращается обратно за новой порцией тепла. В качестве такого переносчика энергии используют незамерзающую жидкость на основе

Существует два типа коллекторов: грунтовый коллектор и грунтовый зонд. Выбор зависит от особенностей каждого участка, его площади, геологии и т.д. Грунтовый коллектор (горизонтальный) представляет собой длинную трубу, горизонтально уложенную под слоем грунта. этиленгликоля или пропиленгликоля.

При использовании в качестве источника тепла участка земли трубопровод зарывается в землю на глубину 1 м. Минимальное расстояние между соседними трубопроводами — 0,8-1 м.

Специальной подготовки почвы, засыпок и т.п. не требуется. Предпочтения к грунту — желательно использовать участок с влажным грунтом, идеально с близкими грунтовыми водами, однако сухой грунт не является помехой — это приводит лишь к увеличению длины контура. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода 20-30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длинной 350-450 метров, для укладки такого контура потребуется участок земли площадью около 400 кв. метров (20х20 м.). Необязательно укладывать контур ниже уровня промерзания почвы — глубина в 1 м является оптимальной. Что касается садовой растительности — при правильном расчете контур не оказывает влияния на зеленые насаждения.

Грунтовые зонды (вертикальные коллекторы) – это системы длинных труб, опускаемых в глубокую скважину (50-150 м). Здесь нужно совсем немного земли, зато требуются дорогостоящие бурильные работы. При использовании в качестве источника тепла скалистой породы трубопровод опускается в скважину. Не обязательно использовать одну глубокую скважину, можно пробурить несколько неглубоких, более дешевых скважин, главное получить общую расчетную глубину.
Для предварительных расчетов можно использовать следующее соотношение — на 1 метр скважины приходится 50-60 Вт тепловой энергии.
Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной 170 метров.

Вода-вода.

Если поблизости находится озеро, река или большой водоем, водоемное тепло является хорошим альтернативным вариантом. Коллектор опускают на дно, и тепло извлекают даже в холодные зимние дни. Источником тепла в данном типе тепловых насосов могут быть поверхностные (реки, озера) или почвенные воды (скважины), а также сбросовая вода технологических установок. Сами насосы почти не отличаются от тех, которые работают на земляном контуре. Но благодаря более высокой температуре теплоносителя зимой годовая эффективность применения устройств типа «вода-вода» оказывается наивысшей.

Воздух-вода.

По универсальности применения в наших климатических условиях этот тип насосов пока проигрывает другим разновидностям. Хотя сами насосы дешевле, и прокладки труб или бурения скважин не требуется, из морозного воздуха много тепла не отберешь. Поэтому такие тепловые насосы рекомендуется использовать только в южных областях и в Крыму, где максимальная температура зимой не опускается ниже -15 °С. Конструктивно устройства типа «воздух-вода» выполняются согласно двух компоновочных схем: сплит и моно. В первом случае установка состоит из двух блоков, соединенных коммуникациями. Один, наружный, включает мощный вентилятор и испаритель (монтируется на участке недалеко от дома); второй, внутренний, содержит конденсатор и автоматику и устанавливается в помещении. Компрессор может располагаться или снаружи, чтобы не шумел в доме, или во внутреннем модуле. В свою очередь в моноблоках все элементы собираются в общем корпусе и монтируются в доме, а с улицей соединяются гибким воздуховодом. Есть моноблоки, допускающие как наружный, так и внутренний монтаж.

Воздух-воздух. ("Бросовые" источники тепла)

Кроме вышеперечисленных источников теплонаносная установка может использовать тепловые сбросы самого жилья для отопления и горячего водоснабжения: сбросную воду, а также вентиляционные выбросы и дымовые газы. В последнем случае вытяжная система должна быть оборудована действующим вентиляционным агрегатом. Данная комбинация улучшает вентилирование дома и уменьшает проблемы с плесенью, сыростью, радоновой загазованностью. При установке специального наружного блока не нужна скважина, а так же контура в земле или в воде для работы теплового насоса.
В данных тепловых насосах тепловая энергия берется от грунта и, через компрессор, напрямую передается воздуху, который используется для отопления зданий. Тем самым отпадает необходимость в использовании промежуточного теплоносителя (воды).   Для получения тепла из теплого воздуха, например, вытяжка системы вентиляции, устанавливается специальная модель теплового насоса с воздушным теплообменником. Тепло из воздуха для системы отопления и горячего водоснабжения также можно собирать на производственных предприятиях, например, на хлебопекарнях, предприятиях по производству керамики и т.п. предприятиях с большим количеством вырабатываемого теплого воздуха. Кстати, тепловой насос вырабатывает тепло не, только, в отопительный период, тепло для системы горячего водоснабжения вырабатывается круглый год. А для среднего загородного дома затраты на приготовление горячей воды составляют около 15-20 процентов.

Пассивное и активное кондиционирование

Принцип холодоснабжения очень прост. В зимнее время тепловой насос трансформирует тепло из окружающей среды для использования в стандартной системе отопления. Летом, наоборот, холод из скважины (7-9 градусов) используется, чтобы создать необходимый климат в помещениях дома. Фанкойлы подключается к внешнему коллектору, а принцип работы системы холодоснабжения такой же, как и системы отопления, за исключением того, что вместо радиаторов используются Фанкойлы.

Пассивное охлаждение

При пассивном охлаждении компрессор теплового насоса не работает, и теплоноситель просто циркулирует между скважиной и фанкойлами. Таким образом, холод из скважины напрямую поступает в         систему кондиционирования.

 Активное охлаждение

Если пассивного охлаждения не достаточно, в системе кондиционирования используется холод, производимый тепловым насосом. При этом автоматически включается компрессор теплового насоса, и теплоноситель из скважины дополнительно охлаждается тепловым насосом.

Для использования теплового насоса на нужды кондиционирования необходимо установить дополнительный блок.

 После определения типа насоса, можно переходить к разрешению проблемы его установки. Чтобы установить в доме систему отопления на основе теплового насоса, советуем вам обратиться в организацию, имеющую опыт разработки проектов, установки и наладки такого оборудования.

В России нет нормативно-правовой базы, регулирующей правила установки геотермальных теплонасосов. Поэтому целесообразно пользоваться требованиями, технологией и рекомендациями изготовителей оборудования и нормативно-правовой базой Европейского сообщества.

Для подбора теплонасосной системы для конкретного здания, вы как его владелец должны представить специалистам компании следующую информацию:

1. 1. Генплан участка с указанием на территории строений и деревьев;
2. 2. Поэтажный план здания с указанием высоты и площади отапливаемых помещений;
3. 3. Данные о материалах, из которых изготовлены стены и крыша, с указанием толщины слоев в конструкциях;
4. 4. Данные об окнах, а именно количество оконных проемов и их размеры, материал, из которого изготовлены рамы, количество воздушных камер и качество стекол в стеклопакетах;
5. 5. Имеющаяся электрическая мощность в кВт;
6. 6. Планируемое отопление (радиаторное, «теплый пол» или смешанное).

На основе предоставленной информации специалисты оценивают теплопотери здания и подбирают оборудования необходимой мощности. Отдельно рассматривается возможность использования теплового насоса для подготовки горячей воды и кондиционирования воздуха в летний период. Конечно, это влечет за собой установку дополнительного оборудования, и, следовательно, усложнение системы и увеличение ее сметной стоимости. Однако обнадеживает тот факт, что вы получите «все и сразу», причем, не прикладывая ни малейших усилий – всю работу за вас выполнят профессионалы. Поэтому побеспокоиться вам придется только об одном – о выборе фирмы-производителя теплового насоса.

Несмотря на то, что в странах СНГ с данным видом отопительного оборудования потребители знакомы мало, на рынках России, Украины и Беларуси уже представлена продукция многих ведущих производителей, таких как Riedo Clima AG (Швейцария), ECR (США), Nibe, Mecmaster, Thermia (Швеция), Vaillant, Viessmann (Германия), Nukleon (Чехия) и других.

Широкому распространению теплонасосов в странах Восточной Европы мешает недостаточная информированность населения. Потенциальных покупателей пугают довольно высокие первоначальные затраты: стоимость насоса и монтажа системы составляет около $300-1200 на 1 кВт необходимой мощности отопления. Но грамотный расчет убедительно доказывает экономическую целесообразность применения этих установок: капиталовложения окупаются, по ориентировочным подсчетам, за 4-9 лет, а служат теплонасосы 15-20 лет.