Тепловые насосы
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, ТН — это слегка преобразованный холодильник. Даже внешне, по размерам и форме, ТН 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 тёплым воздухом. А если конденсатор холодильника омывать водой, то её, нагретую, можно использовать в радиаторах отопления или в ванной.
ТН исправно приносят пользу уже с 1830 г. Но первый бум их популярности пришёлся 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. ТН 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 ТН 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.
Экологичность. ТН 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 ТН — благо. Ведь по большому счету на ТЭЦ сокращается расход топлива на производство электричества. Применяемые же в ТН фреоны не содержат хлоруглеродов и озонобезопасны.
Универсальность. ТН 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.
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, ТН опасен не более, чем холодильник.
Принцип действия ТН
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.
Установки «грунт–вода»
Грунт — это, пожалуй, наиболее универсальный источник рассеянного тепла. Он аккумулирует солнечную энергию и круглый год подогревается от земного ядра. При этом он всегда «под ногами» и способен отдавать тепло вне зависимости от погоды. Ведь на глубине уже 5–7 м температура практически постоянна в течение всего года. Для средней полосы России она составляет 5–8°С. Это очень подходящие условия для работы ТН. Более того, в верхних слоях земли минимум температуры достигается на пару месяцев позже пика морозов — нужда в интенсивном обогреве к этому времени уменьшается. В целом же грунт довольно надежно поставляет калории. Необходимая энергия собирается теплообменником, заглубленным в землю, и аккумулируется в носителе, который затем насосом подается в испаритель ТН и возвращается обратно за новой порцией тепла. В качестве такого переносчика энергии используют незамерзающую экологически безвредную жидкость (ее называют также «рассолом» или антифризом). Это может быть тридцатипроцентный водный раствор этиленгликоля или пропиленгликоля.
Есть и другая схема сбора тепла, когда вместо «рассола» в контуре циркулирует фреон, который превращается в пар прямо в трубах теплосборника. Но хотя эта схема повышает КПД, ее эксплуатация сложна. 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. Нашёл 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 ТН. 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. Весной, когда запасы тепла иссякают, верхний слой земли быстрее прогревается энергией солнца и талых вод.
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 .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.
Установки «вода–вода»
Источником тепла могут быть поверхностные (реки, озёра) или почвенные воды (скважины), а также сбросовая вода технологических установок. Сами насосы почти не отличаются от тех, которые работают с «рассолом». Но благодаря более высокой температуре теплоносителя зимой годовая эффективность применения устройств типа «вода–вода» оказывается наивысшей. Жаль, что эта техника хороша в основном лишь для промышленного применения. Слишком редко возникают подходящие условия для частника. Но если рядом течет незамерзающая речка, вы можете уложить петлю трубы с антифризом на дно (притопив грузами) и обогреваться практически даром. Конечно, если водоохранная служба даст добро.
Со скважиной сложнее. Воду из неё (из расчёта около 0,25 м3/ч на 1 кВт тепловой мощности) скважинным насосом подают прямо в испаритель, а сливают... во вторую скважину, удалённую от первой вниз по течению воды в подземном слое на 15–20 м. При этом водоносный слой должен принять и отвести слитую воду, иначе маленькое наводнение вам обеспечено. Ясно, что такие пласты на малой глубине встречаются не везде, а для артезианских скважин получить разрешение у нас непросто. И еще надо защитить испаритель от загрязнения и коррозии. Фильтрование и анализ воды обязательны. Если в ней слишком много солей, придется обустроить промежуточный теплообменник, между ним и ТН будет циркулировать деаэрированная чистая вода.
Установки «воздух–вода»
По универсальности применения в российских условиях этот тип насосов занимает пока второе место. И сами насосы дешевле, и труб (с неизменными земляными работами) не требуется. Недостаток один, но существенный: из морозного воздуха много тепла не отберешь. Устойчиво, хотя и с уменьшенной мощностью, эти устройства работают до –15 °С, а затем надо включать другой котел. В некоторых моделях, в конструкцию уже встроены ТЭНы мощностью от 3 до 12 кВт. Кроме того, фирмы упорно работают, чтобы еще более снизить рабочую температуру.
Когда речь идет о выборе «воздушных» агрегатов, полезно учитывать два важных обстоятельства, обычно умалчиваемых в статьях. Во-первых, приводимое в паспорте значение номинальной мощности относится к определенной температуре уличного воздуха. У каждой фирмы она своя. Это может быть и 0, и 2, и 10, и даже 25°С. Значит, по эффективности все машины надо сравнивать при одинаковой температуре наружного воздуха. Во-вторых, с усилением холодов ТН развивает заметно меньшую (иногда втрое) мощность, поэтому дополнительный обогреватель нужен обязательно.
Конструктивно устройства типа «воздух–вода» выполняются по двум компоновочным схемам: 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, как. В моноблоках все элементы собираются в общем корпусе и монтируются в доме, а с улицей соединяются гибким воздуховодом. Они поставляются большинством фирм, но обладают ограниченной мощностью — обычно 3–16 кВт. Есть моноблоки, допускающие как наружный, так и внутренний монтаж.
Получить подробную консультацию, задать интересующие вопросы и заказать тепловой насос вы можете связавшись с нами любым удобным вам способом с помощью контактной информации, указанной в соответствующем разделе нашего сайта.
