Тепловий насос – особливості використання

Тепловий насос – особливості використання

Частина 3 – режими роботи та особливості використання

Теплові насоси – унікальні за своїми властивостями пристрої, які можуть використовуватись як для нагріву , так і охолодження будівель. Здатність установки працювати в режимі охолодження визначається типом самого теплового насосу та характеристикою джерела низькопотенційного тепла.

Охолодження

Повітряні (повітря-вода) теплові насоси реалізовують функцію охолодження за рахунок реверсної роботи холодильного контуру. Досягти зворотнього процесу вдається за допомогою 4-х ходового клапану, який в літній період змінює напрямок потоку холодагенту, перетворюючи зовнішній теплообмінник випарника на конденсатор і навпаки , конденсатор на випарник. Продуктивність охолодження теплового насосу, в такому випадку, буде менше теплової потужності на величину споживання енергії самим компресором , який під час роботи виділятиме “паразитне” для процесу охолодження тепло.

Мал.1 Схема холодильного контуру повітряного теплового насосу BasicLine BS 7010 / Waterkotte
Мал.1 Схема холодильного контуру повітряного теплового насосу BasicLine BS 7010 / Waterkotte

Геотермальні теплові насоси (вода-вода, розсіл-вода) мають можливість використовувати декілька типів охолодження: активний реверсний холод; пасивний ( природній ) холод і для потужних теплових насосів – активний холод з додатковим облаштуванням зовнішнього гідравлічного контуру.

Для пасивного охолодження використовується невисока температура джерела тепла (грунту або води). Теплоносій, з температурою 5 – 20°С, з грунтових зондів чи водяного контуру подається до системи охолодження , оминаючи тепловий насос. Охолодження може здійснюватись через додатковий теплообмінник або напряму контуром з розсолом. При проектуванні природнього охолодження потрібно враховувати коливання температури грунту протягом року. На початку літа холодопродуктивність вище ніж наприкінці. Також, при використанні води річок та водойм, необхідно брати до уваги підняття температури джерела тепла протягом літнього періоду.

Пасивний холод це практично безкоштовне охолодження будинку. Енергія витрачається лише на роботу циркуляційного насосу. Також в процесі пасивного охолодження відбувається регенерація ґрунтових зондів – відібране з приміщення тепло накопичується в грунті, що значно підвищує загальну ефективність теплового насосу. Збільшення Т джерела тепла на 1К призводить до збільшення СОР на 2,7%.

Мал.2 Тепловий насос DS 5050T / Waterkotte з контуром пасивного охолодження
Мал.2 Тепловий насос DS 5050T / Waterkotte з контуром пасивного охолодження

Дуже часто, для великих об’єктів, продуктивності пасивного холоду недостатньо і необхідно використовувати роботу компресора.

Приклад: влаштування контуру природного охолодження + активний холод з геотермальним тепловим насосом DS 5110 T / Waterkotte:

Мал.3 Тепловий насос DS 5110T / Waterkotte з системами пасивного та активного охолодження
Мал.3 Тепловий насос DS 5110T / Waterkotte з системами пасивного та активного охолодження

У випадку недостатньої продуктивності контуру природного охолодження відбувається вмикання теплового насосу в звичайному робочому режимі нагріву. Тепло відбирається від джерела тепла і далі зворотка, вже із низькою температурою, не скидається назад в ґрунтові зонди, а завдяки 3-х ходовому клапану подається на теплообмінник контуру охолодження. Тепло вироблене внаслідок роботи теплового насосу накопичується в буферній ємкості, для використання в системі нагріву гарячої води чи інших потреб. Після досягнення в баку максимальної температури, інший 3-х ходовий клапан перемикає подачу теплоносія системи опалення на теплообмінник , де відбувається передача енергії контуру джерела тепла і відповідно надлишкове тепло скидається в ґрунт. Для покриття пікових навантажень та уникнення тактування теплового насосу використовуються накопичувальні ємкості на стороні опалення і на стороні охолодження.

Дана схема буде максимально ефективною при значній потребі в гарячій воді або за наявності басейну чи відбору тепла для виробничих цілей.

При використанні системи охолодження в будинку необхідно обов’язково передбачити засоби пасивного захисту від сонячного випромінювання: зовнішні жалюзі , маркізи , тощо. У випадку нагріву приміщення прямими сонячними променями, тепловий насос не зможе забезпечувати потрібні температури.

Система опалення / охолодження

Під час планування системи опалення / охолодження, обов’язково потрібно пам’ятати , що тепловий насос це теплогенератор з низькою температурою подачі теплоносія, в більшості випадків це: 35-55°C. Чим нижчу температуру потребуватиме система опалення, тим вищою буде ефективність теплового насосу. Зниження Т подачі на 1К призводить до збільшення СОР на 2,5%. Тому ідеальним варіантом для ефективної експлуатації теплового насосу є застосування системи поверхневого нагріву / охолодження. При використанні підлоги, стін чи стелі в якості нагрівальних / охолоджуючих поверхонь досягається максимальний COP роботи теплового насосу. Крім цього , перевагою підлогового опалення є високий рівень комфорту для користувача. Температурна крива поверхневого нагріву ближче до ідеального для людей розподілу температури.

Мал.4 Розподіл тепла при різних типах обігріву
Мал.4 Розподіл тепла при різних типах обігріву

М’яке теплове випромінювання від підлогового опалення діє безпосередньо на тіло людини без проміжної стадії підігріву повітря в приміщенні. Такий же рівень комфорту досягається при зниженні кімнатної температури на 2 °C. В свою чергу, зменшення кімнатної температури на 1°C скорочує споживання енергії на 6%. Важливою перевагою поверхневого нагріву є доступність всього простору приміщення для використання.

Система поверхневого охолодження також має свої переваги. Якщо для системи опалення використовується поверхня підлоги та стін , то для охолодження – стелі та стін.

Теплообмін з традиційною системою охолодження

Холодне повітря змінює тільки температуру в приміщенні. Повітряна система не впливає на температуру поверхні і після вимкнення охолодження поверхні продовжують випромінювати тепло. У випадку, якщо повітря системи кондиціонуваннябуде мати низьку температуру, його відносна вологість також буде низькою, що призведе до сухого та холодного повітря, яке викликатиме сухість в слизовій оболонці. Значні конвекційні потоки створюють дискомфорт.

 

Теплообмін з поверхневою системою охолодження

При низькій температурі поверхонь тіло здійснює теплообмін за допомогою випромінювання, тим самим зменшуючи теплообмін внаслідок випаровування. Для досягнення комфорту потрібно, щоб відносна вологість складала 50-60%. При різниці температури між поверхнею та тілом людини в 8°C досягається оптимальний теплообмін. Повітря при контакті з холодними поверхнями охолоджується і це викликає слабкий конвекційний рух повітря, який не викликає дискомфорту.

 

Для облаштування систем поверхневого опалення / охолодження, в основному, використовуються поліетиленові труби. Для монтажу стельового охолодження можуть бути використані готові гіпсокартонні панелі під шпаклювання. Для стін застосовуються трубопроводи та система кріплень, з подальшим мокрим штукатуренням.

Під час проектування системи поверхневого охолодження потрібно враховувати наступні фактори: конструкція поверхні охолодження, вологість повітря в приміщенні, навантаження по холоду, архітектура приміщень, режим роботи (реверс тепло/ холод). Тому для таких установок важливим елементом є система автоматики, яка здатна забезпечувати необхідні температурні режими та підтримувати задані параметри , як наприклад, вологість чи запобігати утворенню конденсату на охолоджуючій поверхні.

… продовження в наступній частині

Джерело

Розкажіть про свої враження або задайте запитання