ТЕПЛОВИЙ НАСОС – ТЕХНОЛОГІЯ, ЩО ПОСТІЙНО РОЗВИВАЄТЬСЯ. Ч2

ТЕПЛОВИЙ НАСОС – ТЕХНОЛОГІЯ, ЩО ПОСТІЙНО РОЗВИВАЄТЬСЯ. Ч2

Частина 2 – джерело тепла для теплового насосу

Класифікація теплових насосів за джерелом енергії ( тепла )

Умовою роботи теплового насосу є наявність джерела енергії, тепло з якого буде відбиратись для забезпечення процесу кипіння робочого тіла у випарнику.
За типом джерела тепла насоси поділяються на наступні групи:
– геотермальні: використання тепла ґрунту або підземних вод
– повітряні: використання тепла навколишнього повітря
– окремо можна виділити теплові насоси, що використовують вторинне тепло іншого теплового процесу, яке потребує утилізації – наприклад, тепло технологічного процесу чи стічні води.
Температура джерела тепла має вирішальне значення для продуктивності та ефективності теплового насосу. Тому при виборі типу обладнання дуже важливе правильне проектування всієї системи теплопостачання, для визначення необхідної потужності теплового насосу та температурного режиму роботи. Необхідно провести розрахунок тепловитрат будівлі, максимально використовувати низькотемпературні системи поверхневого нагріву (наприклад – підлогове опалення, теплі стіни), визначити потреби в гарячій воді. Детальне планування забезпечить надійну та ефективну роботу теплового насосу протягом тривалого часу. У випадку використання геотермальної енергії обов’язковим є обстеження земельної ділянки для визначення типу ґрунту, його теплоємності, геологічних особливостей та можливості розташування ґрунтових зондів чи колекторів. При використанні води в якості джерела тепла – обов’язково провести хімічний аналіз води. Всі ці фактори повинні бути враховані при проектуванні систем теплопостачання на основі теплових насосів.

st-teplonasos-1

Джерело тепла – ґрунт
Ґрунт – найбільш оптимальне джерело розсіяного тепла. Він акумулює сонячне випромінювання, яка падає на його поверхню та постійно отримує тепло від земного ядра. Ґрунт характеризується стабільною температурою, яка мало залежить від погоди. Вже на глибині 5 -7 метрів температура ґрунту практично стала протягом всього року і складає 10 – 12ºС.

st-teplonasos-2

Теплоємність грунту залежить від декількох факторів – типу грунту, геологічного складу, вологості. Чим вища вологість – тим більше тепла можна отримати. Вологий глиняний грунт буде мати найкращі теплові характеристики, а великий вміст піску значно зменшить кількість відібраного тепла.
Відбір енергії з грунту може здійснюватись декількома методами:

Ґрунтовий колектор

st-teplonasos-3Первинний контур геотермального теплового насосу може бути виконаний у вигляді грунтового колектору, який розташовується на глибині 1,2 – 1,5 м. Така глибина забезпечує достатньо стабільну температуру протягом року. Тепловіддача залежить від типу ґрунту та коливається в межах 10 – 35 Вт/м2. Влаштування грунтового колектору потребує досить значної площі земельної ділянки. Крім горизонтального колектору може використовуватись також вертикальний колектор, який займає меншу площу, але вимагає більшого об’єму земляних робіт, що в свою чергу може привести до здорожчання геотермальної системи.
Одним з різновидів вертикального колектора є енергетичні корзини, що дозволяють збільшити відбір тепла з одиниці площі та забезпечити компактність.

st-teplonasos-4

При плануванні ґрунтового колектора необхідно дотримуватись гідравлічного балансу – всі контури повинні бути однакової довжини. Слід використовувати контури довжиною не більше 100 м, щоб запобігти підвищеним витратам енергії циркуляційними насосами. Земельна ділянка, на якій знаходиться ґрунтовий колектор, повинна мати мінімальну забудову та затінення, щоб повноцінно відновлюватись протягом теплого періоду року. Не можна висаджувати над колектором дерева з розвиненою системою коріння, в тім числі і для запобігання пошкодженню самих колекторів. Сонячне випромінювання та опади забезпечують повну регенерацію ґрунту для ефективної віддачі накопиченого тепла в опалювальний сезон.
Виконуються ґрунтові колектори з поліетиленових труб різних діаметрів. Також на ринку присутні готові модулі у вигляді попередньо зібраних трубних секцій.

st-teplonasos-5

В цьому випадку тепловий насос працює з стабільною продуктивністю та високою ефективністю протягом всього року. Зонди опускаються на глибину 40 – 120 м. З одного метра свердловини можна отримати 30 – 70 Вт тепла. Середній показник складає 50 Вт, який в основному і приймається для розрахунку загальної довжини системи геотермальних зондів. Правильний розрахунок кількості свердловин та їх глибина надзвичайно важливі при проектуванні системи теплопостачання з тепловими насосами. Недостатня довжина ґрунтових зондів призведе до зменшення продуктивності теплового насосу, обмерзання свердловин і як наслідок – недостатньої кількості тепла для обігріву об’єкту.
Відбір тепла відбувається за допомогою зондів, виготовлених з поліетиленових труб. Це можуть бути 2-х – або 4-х трубні зонди. Застосовуються труби діаметром 25 , 32 чи 40 мм з різною товщиною стінки.
Сьогодні , крім зондів з гладкими трубами доступні також і турбулентні зонди, які мають внутрішню спіральну нарізку, для створення турбулентного потоку. Використання таких «турбо»-зондів зменшує гідравлічний опір та збільшує ефективність системи.

st-teplonasos-6

При облаштуванні геотермальних свердловин слід особливу увагу приділяти якості та надійності самих ґрунтових зондів. Адже після монтажу неможливо буде їх витягнути та провести ремонт. Ґрунтові зонди повинні слугувати тривалий термін, який більший періоду експлуатації самого теплового насосу. Використовуйте заводські зонди, які мають чіткі гарантійні умови.
Свердловини з розміщеними в них ґрунтовими зондами повинні заповнюватись фіксуючим терморозчином, який має визначені параметри теплопровідності. Крім того розчин забезпечує захист зондів від механічного пошкодження.
При плануванні розташування земляних зондів необхідно дотримуватись мінімальних відстаней між свердловинами: 5-6 м. Також забороняється висаджувати дерева з глибокою корневою системою на місці розміщення геотермальних зондів.
В якості теплоносія для ґрунтових зондів застосовуються незамерзаючі розчини, наприклад, на основі етиленгліколю (температура замерзання – 15oС). Незамерзаючі розчини обов’язково повинні бути екологічно нейтральні, адже під час аварії та витоку відбудеться забруднення ґрунтових води та значної прилеглої території.

Джерело тепла – ґрунтові води

st-teplonasos-7

Підземні ґрунтові води є одним з найефективніших джерел первинного тепла для роботи теплових насосів. Протягом року температура ґрунтової води залишається стабільною та знаходиться в межах від 7oС до 12oС. Схема використання енергії води включає в себе дві свердловини:
– «верхня» забезпечує відбір води для подачі на теплообмінник водо-водяного теплового насосу, де відбувається передача тепла;
– «нижня» приймає охолоджену тепловим насосом воду.
В якості джерела тепла можуть також використовуватись поверхневі грунтові води. Але під час проектування такої схеми потрібно враховувати суттєві коливання температури води в залежності від пори року. Важливим елементом планування системи теплових насосів вода/вода є проведення хімічного аналізу води. В більшості випадків якість води не дозволяє працювати напряму з високоефективними теплообмінниками теплових насосів. В такому випадку рекомендується встановлення проміжного теплообмінника, який відповідає конкретним умовам експлуатації та захищає тепловий насос. Наприклад, компанія Waterkotte пропонує повний асортмент теплообмінників з нержавіючої сталі з мідним або нікелевим припоєм для води різної якості.
При плануванні водо-водяної системи необхідо провести геологічне дослідження ділянки. Обидві свердловини повинні відповідати об’ємам перекачуваної води. Для отримання 1 кВт тепла потрібно викачати близько 0,25 м3/год.

Джерело тепла – навколишнє повітря

st-teplonasos-8

Використання повітря в якості джерела тепла потребує найменших капітальних затрат. На вулиці встановлюється зовнішній блок, який містить теплообмінник та вентилятор. Повітря подається на випарник, де відбувається відбір тепла і після охолодження знову повертається в навколишнє середовище. Сучасні технології дозволяють експлуатувати повітряні теплові насоси до температури зовнішнього повітря – 25oС. Для роботи при низьких температурах насоси обладнуються додатковим електричним нагрівачем або працюють в системі з додатковим теплогенератором (наприклад, дров’яним каміном з водяним контуром). Застосовуючи даний тип обладнання для опалення пасивних та енергоефективних будинків можна повністю забезпечити нагрів лише завдяки повітряному тепловому насосу. Навіть при низьких зовнішніх температурах такі будинки потребують незначну кількість тепла.
В якості прикладу використано моніторинг мінімальних температур зимового періоду 2012/2013 року, що був аномально довгим. Моніторинг температур здійснено в Києві.

st-teplonasos-tab

Важливим фактором, який необхідно враховувати при плануванні повітряних теплових насосів, є звукові характеристики. Від шумових характеристик буде залежати комфорт проживання поруч з тепловими насосами повітря/вода.
Компанія Waterkotte розробила новий тепловий насос EcoTouch Air, який має найкращі звукові характеристики. Основною причиною шуму повітряного насосу під час роботи є вентилятор. Вентиляційна решітка та інші компоненти також можуть бути причиною утворення шуму. Кожен з цих факторів було досліджено та оптимізовано для зменшення або взагалі усунення причин виникнення шуму. При проектуванні нового вентилятора для EcoTouch Air були використані знання отримані від природи. За зразок було взято функціонування крила сови , яка при польоті практично не створює шуму. Використання форми крила сови покращило акустичні характеристики вентилятора.

st-teplonasos-9

Завдяки точному розрахунку об’ємного розходу повітря та поперечного січення вдалось оптимізувати конструкцію вентиляційної решітки. Створення такого ідеального поєднання дозволило знизити звуковий тиск теплового насосу до 34 дБ(A) / 4м.
Широкого поширення в останні роки набули повітряні насоси моноблочного типу, потужністю 8-12 кВт. Конструкція такого теплового насосу передбачає встановлення холодильного та гідравлічного контуру в зовнішньому блоці, в приміщення заводяться лише трубопроводи системи опалення та встановлюється регулятор управління (або гідравлічна станція). Переваги таких насосів – нижча вартість, простота встановлення та відсутність робіт з холодильним контуром (фреоном).
Оптимальним рішення для використання повітряних телових насосів є бівалентний режим роботи – поєднання з іншим джерелом тепла (газовим чи пелетним котлом, дров’яним або пелетним каміном з водяним контуром). При такій схемі 70-90% теплового навантаження забезпечуватиметься тепловим насосом повітря/вода і лише при дуже низьких температурах вмикатиметься додатковий теплогенератор.

Джерело тепла – сонячна енергія + фазовий перехід: вода-лід

Одним з нестандартних рішень для використання теплових насосів є використання тепла фазового переходу речовин. В основному застосовується перехід води в лід, може також використовуватись парафін.
Для влаштування системи «льодяного баку» використовується велика бетонна ємкість заповнена водою. Нагрів баку відбувається за допомогою геліоколекторів (повітряні абсорбери або геліотермічні колектори) та частково за рахунок грунту. Для цього, по периметру баку обладнана система трубопроводів , які передають сонячне тепло воді, яка надалі використовується як джерело тепла для теплового насосу. Відбір тепла відбувається за рахунок геотермального колектору з поліетиленових труб, який розміщується всередині баку.

st-teplonasos-10

st-teplonasos-11

Крім тепла води, тепловий насос додатково відбирає теплоту, яка супроводжує процес утворення льоду. Внаслідок процесу замерзання води можна отримати 93 Вт/кг. Постійно підтримуючи температуру на межі 0oС, забезпечується тривалий цикл замерзання-розмерзання, що збільшує ефективність роботи установки. Після замерзання бак знову регенерується за рахунок сонячної енергії та тепла грунту.
Джерелом енергії для теплових насосів також можуть слугувати різні технологічні процеси, які супроводжуються виділенням тепла. Утилізація тепла – один з важливих напрямків застосування технології теплових насосів. Ці джерела тепла мають сталі температурні характеристики, що забезпечують високу ефективність теплових насосів. Проекти використання такого тепла потребують детального планування. Так, наприклад, при роботі із стічними водами необхідно передбачити проміжний теплообмінник, який матиме високу корозійну стійкість. Можливі також варіанти облаштування геотермальних колекторів безпосередньо в відстійниках стічних вод. Існує безліч інших проектів, які використовують нестандартні джерела тепла: вентиляційне повітря чи наприклад, тепло, яке виділяється при роботі серверів в дата-центрах.

Розкажіть про свої враження або задайте запитання