6.3. Геотермальные тепловые насосы

Что такое низкопотенциальная энергия Земли

Низкопотенциальная энергия Земли (НГР) — это тепло грунта, грунтовых вод и поверхностных водоемов, аккумулированная в поверхностных слоях земной коры.

Эта энергия может с успехом использоваться для обеспечения тепло- и хладоснабжения (кондиционирования), горячего водоснабжения зданий и сооружений всех типов, а также энергоснабжения технологических процессов (www.cleandex.ru).

Технология их освоения заключается в использовании систем извлечения энергии, ее обработки и доставки теплоносителя к потребителю. Главным компонентом подобных систем являются геотермальные тепловые насосы. Пример использования теплового насоса в доме приведен на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Пример использования теплового насоса в доме

 Определение.

Геотермальные тепловые насосы (ГТН) — это устройства, осуществляющие обратный термодинамический цикл, благодаря чему низкопотенциальная энергия переносится на более высокий уровень.

Идея теплового насоса высказана полтора века назад британским физиком Уильямом Томсоном (более известный как лорд Кельвин). Это придуманное им устройство он назвал «умножителем тепла».

Помимо геотермального тепла, источником энергии для тепловых насосов может служить тепло сточных и оборотных вод, что позволяет параллельно решать проблему эксплуатации вторичных энергоносителей.

На сегодняшний день используются:

♦ парокомпрессионные геотермальные тепловые насосы (ПТН), работающие на хладонах;

♦ адбсорционные геотермальные тепловые насосы (АТН), в которых рабочими веществами выступают вода и водный раствор бромистого лития.

 Примечание.

Однако, в связи с меньшей эффективностью и сложностью конструкции АТН не получили распространения.

Принцип роботы парокомпрессионного теплового насоса

Тепловой насос — это «холодильник наоборот», отмечается на www.avante.com.ua. В обоих устройствах основными элементами являются испаритель, компрессор, конденсатор и дроссель (регулятор потока), соединенные трубопроводом, в котором циркулирует поток хладагента.

Хладагенты — это вещества, способного кипеть при низкой температуре и меняющее свое агрегатное состояние с газового в одной части цикла, на жидкое — в другой. Просто в холодильнике главная партия отводится испарителю и отбору тепла, а в тепловом насосе — конденсатору и передаче тепла.

Функция бытового холодильника сводится к охлаждению продуктов, и его сердцем является теплоизолированная камера, откуда тепло «откачивается» (отбирается кипящим в теплообменнике-испарителе хладагентом) и через теплообменник-конденсатор «выбрасывается» в помещение (задняя стенка холодильника довольно теплая на ощупь).

В тепловом насосе главным становится теплообменник, с которого тепло «снимается» и используется для обогрева дома, а второстепенная «морозилка» размещается за пределами здания.

Схематично тепловой насос можно представить в виде системы из замкнутых контуров.

Внешний контур (коллектор) представляет собой уложенный в землю или в воду (например, полиэтиленовый) трубопровод, в котором циркулирует незамерзающая жидкость — антифриз. Источником низкопотенциального тепла может служить грунт, скальная порода, озеро, река, море и даже выход теплого воздуха из системы вентиляции какого-либо промышленного предприятия.

Во второй контур, где циркулирует хладагент, как и в бытовом холодильнике, встроены теплообменники — испаритель и конденсатор, а также устройства, которые меняют давление хладагента — распыляющий его в жидкой фазе дроссель (узкое калиброванное отверстие) и сжимающий его уже в газообразном состоянии компрессор.

Рабочий цикл выглядит так (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Схема работы теплового насоса

Жидкость хладагента продавливается через дроссель, ее давление падает, и она поступает в испаритель, где вскипает, отбирая теплоту, поставляемую коллектором из окружающей среды. Далее газ, в который превратился хладагент, всасывается в компрессор, сжимается и, нагретый, выталкивается в конденсатор. Конденсатор является теплоотдающим узлом теплонасоса: здесь происходит процесс получение теплоты — теплота принимается водой в системе отопительного контура. При этом газ охлаждается и конденсируется, чтобы вновь подвергнуться разряжению в расширительном вентиле и вернуться в испаритель. После этого рабочий цикл начинается сначала.

Чтобы компрессор работал (поддерживал высокое давление и циркуляцию), его надо подключить к электричеству. Но на каждый затраченный киловатт-час электроэнергии тепловой насос вырабатывает 2,5–6 киловатт-часов тепловой энергии. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты) и служит показателем эффективности теплового насоса. Эта величина зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем меньше эта величина.

По этой причине тепловой насос должен использовать по возможности большее количество источника низкопотенциального тепла, не стремясь добиться его сильного охлаждения. В самом деле, при этом растет эффективность теплового насоса, поскольку при слабом охлаждении источника тепла не происходит значительного роста разницы температур.

По этой причине тепловые насосы делают так, чтобы масса низкотемпературного источника тепла была значительно большей, чем нагреваемая масса. В этом состоит одно из важнейших отличий теплового насоса от традиционных (топливных) источников тепла, в которых вырабатываемая энергия зависит исключительно от теплотворной способности топлива. По этой причине тепловой насос в каком-то смысле «привязан» к источнику низкопотенциального тепла, имеющего большую массу.

Эта проблема может быть решена введением в тепловой насос системы массопереноса, например, системы прокачки воды. Так устроена система центрального отопления Стокгольма.

Источники энергии

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».

При использовании в качестве источника тепла энергии грунта трубопровод, в котором циркулирует антифриз, зарывают в землю на глубину 1 м. Минимальное расстояние между трубами коллектора — 0,8…1 м.

Специальной подготовки почвы не требуется. Но желательно использовать участок с влажным грунтом, если же он сухой, контур надо сделать длиннее. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 м трубопровода, 20–30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длиной 350–450 м, для укладки которого потребуется участок земли площадью около 400 м² (20x20 м). При правильном расчете контур не влияет на зеленые насаждения.

Если свободного участка для прокладки коллектора нет или в качестве источника тепла используется скалистая порода, трубопровод опускается в скважину. Не обязательно использовать одну глубокую скважину, можно пробурить несколько неглубоких, более дешевых, чтобы получить общую расчетную глубину. Иногда в качестве скважин используют фундаментные сваи.

Ориентировочно на 1 пог. м скважины приходится 50–60 Вт тепловой энергии. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной 170 м.

Существенно снизить необходимую глубину скважины и увеличить отбор тепловой энергии до 700 Вт на на 1 пог. м скважины позволяет применение активного контура «Fill well» первичного преобразователя теплового насоса (необходимым условием является наличие обводненого горизонта вскрываемого скважиной).

Среди тепловых насосов, использующих тепло поверхностного слоя земли, выделяется система EarthLinked® с подземным медным теплообменником DIRECT AXXESS®.

Хладагент подается непосредственно к источнику земного типа, что обеспечивает высокую эффективность геотермальной отопительной системы. Испаритель устанавливают в грунт горизонтально ниже глубины промерзания или в скважины диаметром 40–60 мм пробуренные вертикально либо под уклоном до глубины 15–30 м.

Благодаря такому инженерному решению устройство теплообменного контура производится на площади всего несколько квадратных метров, не требует установки промежуточного теплообменника и дополнительных затрат на работу циркуляционного насоса.

При использовании в качестве источника тепла близлежащего водоема контур укладывается на дно. Этот вариант принято считать идеальным: не слишком длинный внешний контур, «высокая» температура окружающей среды (температура воды в водоеме зимой всегда положительная), высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосом.

Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода — 30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длиной 300 м. Чтобы трубопровод не всплывал, на 1 пог. м устанавливается около 5 кг груза.

Для получения тепла из теплого воздуха (например, из вытяжки системы вентиляции) используется специальная модель теплового насоса с воздушным теплообменником. Тепло из воздуха для системы отопления и горячего водоснабжения также можно собирать на производственных предприятиях.

Если тепла из внешнего контура все же недостаточно для отопления в сильные морозы, практикуется эксплуатация насоса в паре с дополнительным генератором тепла (в таких случаях говорят об использовании бивалентной схемы отопления). Когда уличная температура опускается ниже расчетного уровня (температуры бивалентности), в работу включается второй генератор тепла — чаще всего небольшой электронагреватель (тен).

Преимущества и недостатки

К преимуществам тепловых насосов, в первую очередь, следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт-ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2–0,35 кВт-ч электроэнергии. Кроме того, теплонасос не сжигает топлива и не производит вредных выбросов в атмосферу.

Он не требует специальной вентиляции помещений и абсолютно безопасен. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.

Еще одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фанкойлы.

Тепловой насос надежен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в инструкции.

Важной особенностью системы является ее сугубо индивидуальный характер для каждого потребителя, который заключается в оптимальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего.

Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.

Хотя идея, высказанная лордом Кельвином в 1852 году, была реализована уже спустя четыре года, практическое применение теплонасосы получили только в 30-х годах прошлого века. В западных странах тепловые насосы применяются давно — ив быту, и в промышленности. Сегодня в Японии, например, эксплуатируется около 3 миллионов установок.

КПД тепловых насосов

Тепловой насос способен, используя высокопотенциальные источники энергии, «накачать» в помещение от 200 % до 600 % низкопотенциальной тепловой энергии. В этом нет нарушения закон сохранения энергии.

Поэтому применение тепловых насосов для обогрева помещений гораздо эффективнее газовых котлов. Современные газотурбинные установки на электростанциях имеют КПД, существенно превышающий КПД газовых котлов. В результате при переходе электроэнергетики на современное оборудование и при применении тепловых насосов можно получить экономию газа до 10 раз в сравнении с газовыми котлами.

Перспективы использования тепловых насосов

Широкому распространению теплонасосов мешает недостаточная информированность населения. Потенциальных покупателей пугают довольно высокие первоначальные затраты: стоимость насоса и монтажа системы составляет $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 по 15–20 лет до капремонта.

Еще более многообещающей является система, комбинирующая в единую систему теплоснабжения геотермальный источник и тепловой насос. При этом геотермальный источник может быть как естественного (выход геотермальных вод), так и искусственного происхождения (скважина с закачкой холодной воды в глубокий слой и выходом на поверхность нагретой воды).

Другим возможным применением теплового насоса может стать его комбинирование с существующими системами централизованного теплоснабжения. К потребителю в этом случае может подаваться относительно холодная вода, тепло которой преобразуется тепловым насосом в тепло с потенциалом, достаточным для отопления. Но при этом вследствие меньшей температуры теплоносителя потери на пути к потребителю (пропорциональные разности температуры теплоносителя и окружающей среды) могут быть значительно уменьшены. Также будет уменьшен износ труб центрального отопления, поскольку холодная вода обладает меньшей коррозионной активностью, чем горячая.

Ограничения применимости тепловых насосов

При слишком большой разнице между температурой на улице и в доме, тепловой насос теряет эффективность (предел применимости в системах отопления домов за счет откачки тепла от наружного воздуха — около -15…-20 °C). Для решения этой проблемы применяются системы откачки тепла из грунта либо грунтовых вод. Для этого в грунте ниже точки промерзания укладываются трубы, в которых циркулирует теплоноситель, либо (в случае обильных грунтовых вод) через тейлонасосное оборудование прокачиваются грунтовые воды.

Индивидуальное отопление (отопление квартир)

Наиболее простой вариант — использование моноблочных модулей «воздух-вода». К примеру, отопление и горячее водоснабжение двухкомнатной квартиры площадью 60 м² может вполне обеспечить модуль номинальной мощностью 4,5 кВт. Для южных регионов Украины такой модуль обеспечит среднесезонный отопительный коэффициент порядка 2,75.

Кроме того, потребитель дополнительно получает бесплатную систему кондиционирования, которая обеспечит его и бесплатной горячей водой в летнее время. Еще более эффективным станет применение системы индивидуального отопления с помощью ТН в случае введения тарифов централизованного теплоснабжения, дифференцированных по температуре теплоносителя. Использование ТН для догрева теплоносителей до нужной температуры позволит снизить стоимость единицы потребляемой тепловой энергии в 6…8 раз по сравнению с централизованными системами теплоснабжения.

Грунтовый зонд

Мировая практика использования парокомпрессионных геотермальных тепловых насосов насчитывает уже около 50 лет. Главными драйверами мирового рынка стали удорожание цен на традиционные энергоносители и государственное стимулирование их потребления. Объем мирового рынка парокомпрессионных геотермальных тепловых насосов, который на протяжении последних 10 лет ежегодно увеличивался на 10–30 %, к 2011 году достиг 300 тыс. шт. Основную часть мирового рынка составляют ПТН типа «грунт-вода/воздух».

Аккумулированное грунтом тепло передается с помощью теплоносителя (рассола), через вертикально расположенные теплообменники (грунтовые зонды рис. 6.8) и подается в испаритель теплообменника теплового насоса.

Рис 6.8. Грунтовый зонд

В испарителе хладагент теплового насоса, нагреваясь от рассола до температуры 6–8 °C, закипает и испаряется, забирая тепло от рассола. Охлажденный рассол, закачиваемый насосом, поступает в грунтовый зонд, где нагревается, забирая тепло от грунта. Образовавшийся пар из испарителя поступает в компрессор, где происходит процесс сжатия пара. Пар переходит в жидкое состояние, выделяя большое количество тепла. Температура жидкости в компрессоре подымается до 35–70 °C. Эта температура в теплообменнике конденсатора передается рабочей жидкости отопительного контура.

Проходя через сбросной клапан, сбрасывающий давление, хлодоген мгновенно охлаждается и снова попадает в испаритель, замыкая цикл. Рабочая жидкость, нагретая в теплообменнике испарителя, поступает в тепловой аккумулятор (буферная емкость), необходимый для накопления тепловой энергии и стабилизации работы теплового насоса (уменьшается частота включений). Далее нагретая рабочая жидкость используется в отопительных контурах. Для приготовления санитарной воды контура горячего водоснабжения используется высокоэффективный бойлер косвенного нагрева.

Тепловые насосы в вопросах и ответах

• По каким причинам следует выбирать тепловой насос?

Универсальность. Подходит для использования как в промышленном, так и в частном строительстве. Экономичность. Низкое энергопотребление достигается за счет высокого коэффициента полезного действия (КПД). Экологичность. Экологически чистый метод отопления и кондиционирования как для окружающей среды, так и для людей, находящихся в помещении. Безопасность. Нет открытого пламени, нет выхлопа, нет сажи, нет запаха солярки, исключена утечка газа, разлив мазута. Нет пожароопасных хранилищ для угля, дров, мазута или солярки. Надежность. Защита от перебоев электроэнергии. Практически не требует обслуживания. Срок службы теплового насоса составляет 15–25 лет. Комфорт. Работает практически бесшумно (не громче холодильника). Гибкость. Совместим с любой циркуляционной системой отопления, а современный дизайн позволяет устанавливать его в любых помещениях.

• Какой принцип действия теплового насоса?

Тепловой насос — это устройство, которое температуру окружающей среды (земли, воды, воздуха) преобразует в высокую температуру, которая используется для отопления и производства горячей воды. Тепло забирается из земли через пластиковый трубопровод.

В трубах циркулирует незамерзающая жидкость, которая передает собранное тепло в испаритель теплового насоса. В испарителе незамерзающая жидкость отдает свою энергию фреону, который преобразуется в пар и сжимается в компрессоре. Из-за резкого увеличения давления температура паров фреона резко поднимется.

Далее горячие пары попадают в конденсатор, где передают тепло в тепловую систему. Остывшая незамерзающая жидкость по трубам возвращается в грунт, где далее собирает тепло. Энергия используется только для переноса тепла, поэтому этот способ обогрева является одним из самых дешевых. По такому же принципу работает холодильник, только здесь тепло забирает изнутри и передается в окружающую среду через решетки находящиеся на задней стенке холодильника.

• Какая жидкость циркулирует в коллекторе?

В коллекторе циркулирует незамерзающая жидкость. Основой жидкости может быть этанол или гликоль. Основное требование к жидкости — температура замерзания должна быть не выше -16 °C.

• Какая труба используется для коллектора?

Для коллектора используется полиэтиленовая труба, которая не ржавеет, не гниет — поэтому такая система долговечна. Диаметр трубы — 40 мм.

• На какую глубину закапывается коллектор?

Производитель рекомендует закапывать коллектор на глубину 2 метра и более. На такой глубине тепла достаточно в течение круглого года, и тепловой насос работает эффективно. Таким образом, обеспечивается нормальная температура работы коллектора необходимая для работы теплового насоса (от -5 °C до + 20 °C).

• Что лучше — скважина или горизонтальный коллектор?

Большинство тепловых насосов монтируются с горизонтальным коллектором. Из-за высокой цены скважина, как источник тепла, используется там, где недостаточно места для установки горизонтального коллектора, а так же если участок у дома уже приведен в порядок.

• От чего зависит длина коллектора или глубина скважины?

Длина коллектора или глубина скважины зависит от тепловых особенностей дома — теплопотери, внутренней системы отопления, мощности выбранного теплонасоса и особенностей грунта.

• Какая площадь участка требуется для укладки коллектора?

Обычный горизонтальный коллектор занимает площадь в 2–3 раза больше отапливаемой площади дома.

• Растет ли трава на том месте, где закопан коллектор?

Коллектор не влияет на произрастающую над ним растительность. В местах, где планируется посадка деревьев, рекомендуется коллектор закопать поглубже. На месте где закопан коллектор, строительство запрещено.

• Можно ли использовать одну и ту же скважину и для теплового насоса и для питьевой воды?

Для теплового насоса и для питьевой воды необходимы разные скважины, так как их оборудуют по разным принципам. Тепловой насос охлаждает скважину, и было бы не рационально ту же самую воду дома нагревать.

• Сколько места занимает котельная с тепловым насосом?

Для установки теплового насоса достаточно небольшого помещения, например, для наиболее популярного Fighter 1220 с трубами достаточно нескольких квадратных метров. Если выбран тепловой насос с отдельным бойлером необходима несколько большая квадратура (примерно 4–6 м², в зависимости от конфигурации котельной).

• Какие требования предъявляются к котельной?

Никаких специальных требований нет. Нет необходимости в наличии окон, дымохода. Поэтому, уже проектируя дом не обязательно предусматривать котельную у наружной стены. Однако не рекомендуется устанавливать тепловой насос у стены, за которой находится спальня.

• Громко ли работает тепловой насос?

Конструкция тепловых насосов такова, что компрессор и холодильная часть находятся в отдельном корпусе. Это означает, что компрессор теплового насоса помещен в двойном корпусе, что обеспечивает низкий уровень шума.

• Какое напряжение необходимо для теплового насоса?

Тепловому насосу требуется трехфазный электрический привод, однако некоторые модели могут использовать напряжение в 220 В.

• Что происходит с тепловым насосом при перепаде напряжения?

При исчезновении, а затем при появлении напряжения, тепловые насосы включатся, и далее будут работать в том же режиме, как и ранее. Все ранее заданные параметры сохраняются.

• Можно ли отапливать одним тепловым насосом несколько отдельных домов?

Технически это возможно, но невозможно будет обсчитать использованное отдельными домами тепло, т. к. затраты на тепло зависят не только от площади отапливаемого помещения, но и от термических характеристик дома — отопительной системы, поддерживаемой в комнатах температуры, использования горячей воды.

• Какую максимальную температуру в отопительной системе может обеспечить тепловой насос?

Максимальная температура в отопительной системе достигаемая с помощью компрессора 55–70 °C, в зависимости от модели теплового насоса.

• Какую отопительную систему лучше выбрать для дома, используя тепловой насос?

Так как эффективность теплового насоса зависит от температуры, подаваемой в отопительную систему и от температуры, получаемой из грунта, лучше выбирать низкотемпературную отопительную систему. Наиболее эффективно тепловой насос работает, если в доме установлена напольная система отопления.

• Готовят ли тепловые насосы горячую воду?

Тепловые насосы отапливают помещения и готовят горячую воду. При помощи компрессора температура горячей воды может повышаться до 65 °C, при помощи электрического ТЭНа до 80 °C.

• Требуется ли техническое обслуживание и сколько оно стоит?

Никакого специального обслуживания тепловой насос не требует, поэтому никаких дополнительных расходов с ним не связано.

• Сколько времени будет служить тепловой насос?

Срок службы теплового насоса рассчитан на продолжительную работу — без проблем он должен прослужить не менее 20 лет.

• Можно ли тепловыми насосами подогревать воду в бассейне?

Тепловые насосы содержат такую функцию, а также функцию контроля процесса обогрева.

• Можно ли управлять тепловыми насосами на расстоянии?

Смонтировав дополнительное устройство, тепловыми насосами можно управлять через Интернет и GSM. Это особенно актуально, если тепловой насос смонтирован в усадьбе и более высокая температура нужна изредка.

• Для чего нужен электрический ТЭН в тепловом насосе?

Электрический ТЭН в тепловом насосе может быть использован как источник энергии, когда вся система смонтирована, кроме коллектора, — тогда тепловой насос работал бы как электрический котел. При помощи электрического тэна мойсно так же повысить температуру горячей воды до 80 °C (при помощи компрессора — 65 °C).

Так же можно увеличить количество горячей воды или дезинфицировать бойлер, чтобы избежать развития болезнетворных бактерий. Повышение температуры горячей воды может осуществляться периодически, установив временной интервал и необходимую температуру в тепловом насосе, или в случае необходимости одноразового производства большего количества горячей воды.

Электрический ТЭН может быть использован и как вспомогательный инструмент обогрева, в том случае, если изменяется потребность в тепле — например, при увеличении отапливаемой площади помещения.

В этом случае нет необходимости в реконструкции системы отопления, дополнительное количество тепла можно получить при помощи электроэнергии Максимальная мощность электрического тэна устанавливается 3,6 или 9 кВт, в зависимости от мощности электропроводки и потребности потребителя. Установленная мощность включается постепенно, в зависимости от потребности, 3 уровнями — например, если установлено 6 кВт то будет включаться 2+2+2 кВт.

• Может быть лучше выбрать более мощный тепловой насос?

Тепловой насос нужно подбирать в зависимости от отапливаемой площади помещения. Более мощный насос будет работать не эффективно, кроме того, установка более мощного насоса повлечет дополнительные финансовые затраты.

• Можно ли самому смонтировать тепловой насос?

Да.

• Какими недостатками обладает отопительная система с тепловым насосом?

Отопительная система с тепловым насосом одна из самых передовых. Влияние на выбор оказывает условно высокая начальная инвестиция, однако это один из самых дешевых способов отопления и сроки окупаемости системы достаточно короткие.