Теплонасос как элемент энергоэффективного дома
Тепловой насос есть устройство для переноса тепловой энергии от источника с более низкой температурой к источнику с более высокой температурой. Схематично тепловой насос можно представить в виде системы из трех замкнутых контуров. В первом, внешнем, циркулирует теплоноситель, собирающий теплоту окружающей среды, во втором — вещество, которое испаряется, отбирая теплоту теплоотдатчика, и конденсируется, отдавая теплоту теплоприемнику, в третьем собственно теплоприемник, например, вода в системах отопления и горячего водоснабжения здания.
Внешний контур, коллектор, представляет собой вынесенный в ту или иную наружную среду, например, уложенный в землю или воду трубопровод, в котором циркулирует незамерзающая жидкость. Во второй контур, где циркулирует хладагент, как и в бытовом холодильнике, встроены теплообменники, испаритель и конденсатор, а также устройства, которые меняют давление хладагента. Это распыляющий его в жидкой фазе дроссель, узкое калиброванное отверстие, и сжимающий его уже в газообразном состоянии компрессор.
Тепловой насос представляет собой источник энергии для системы отопления и горячего водоснабжения дома, но одновременно он может поддерживать и систему кондиционирования. Основное отличие теплового насоса от других генераторов тепловой энергии, электрических, газовых и дизельных, заключается в том, что при производстве тепла до 80 процентов энергии извлекается из окружающей среды. Тепловой насос выкачивает из различных сред солнечную энергию, накопленную за теплое время года.
А, например, тепловые насосы производства шведской компании Thermia представляют собой законченные изделия, готовые теплоснабжающие установки. Внутри такой установки находится бойлер объемом 150-180 литров, но может быть и внешний бойлер объемом до 1000 литров, насос внешнего контура, собирающего тепло окружающей среды, насос системы отопления, автоматика регулирования. Все, что нужно сделать в котельной, это подключить 6 трубопроводов, то есть контур отопления, внешний контур, горячую и холодную воду.
Установка компактна и внешне эстетична. Что же касается уровня шума, то в данном отношении работа установки вполне сопоставима с работой бытового холодильника. Монтажные работы не требуют больших трудозатрат, так как все уже собрано на заводе-изготовителе. При производстве таких установок используются проверенные годами схемные решения. Сборка осуществляется в заводских условиях, подтвержденных сертификатом ISO 9001. Итак, источником энергии могут быть грунт, скальная порода, озеро, воздух, это для специальных моделей, вообще любой источник тепла с температурой -1 градус и выше, доступный в зимнее время. Это могут быть река, море, сточные воды, выход теплого воздуха из системы вентиляции или система охлаждения какого-либо промышленного оборудования. Внешний контур, собирающий тепло окружающей среды, представляет собой полиэтиленовый трубопровод, уложенный в землю или в воду. Диаметр трубопровода, изготавливаемого из полиэтилена низкого давления, составляет 40 миллиметров. Теплоносителем является 30-процентный раствор этиленгликоля либо этилового спирта. Необходимая длина трубопровода рассчитывается по специальной программе Thermia.
При использовании в качестве источника тепла скальной породы трубопровод опускается в скважину. Не обязательно использовать одну глубокую скважину, можно пробурить несколько не глубоких, более дешевых скважин, главное, это получить общую расчетную глубину. Для предварительных расчетов можно использовать следующее соотношение. На 1 метр скважины приходится 50-60 ватт тепловой энергии. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 киловатт необходима скважина глубиной 170-200 метров.
При использовании в качестве источника тепла участка земли трубопровод зарывается в землю на глубину промерзания грунта. Минимальное расстояние между соседними трубопроводами составляет 0,8 метра. Специальной подготовки почвы, засыпок и прочих дополнительных мероприятий не требуется, но желательно использовать участок с влажным грунтом, идеально с близкими грунтовыми водами, однако сухой грунт не является помехой, это требует лишь увеличения длины контура. В этом случае ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода, составляет 20-30 ватт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 киловатт необходим земляной контур длинной 333-500 метров. Для укладки такого контура нужен участок земли площадью 400-600 квадратных метров.
При использовании в качестве источника тепла воды ближайшего водоема, реки контур укладывается на дно. Этот вариант является идеальным с любой точки зрения. Короткий внешний контур, тот факт, что температура воды в водоеме зимой всегда положительная, высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосом, все это плюсы данной схемы. Главным же условием является то, что водоем должен быть проточным и достаточным по размерам. В этом случае ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода, составляет 30 ватт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 киловатт необходимо уложить в озеро контур длинной 333 метра. Для того же, чтобы трубопровод не всплывал, на 1 погонный метр трубопровода устанавливается около 5 килограммов груза.
Иначе обстоит дело с теплонасосом Thermia Atria. Вместо того чтобы извлекать энергию из скважин, земли или водоема, эта установка собирает энергию из окружающего воздуха. Если возможности разместить грунтовый коллектор нет, данная модель является лучшим выбором. Как и обычные теплонасосные установки, Atria снабжает дом теплом и горячей водой и сокращает потребление энергии до 75 процентов. Однако в силу технических причин теплонасосные установки с воздушным контуром имеют серьезное ограничение в применении. Минимальная температура наружного воздуха не должна быть ниже -20 градусов, причем, начиная с температуры -10 градусов, к установке ступенчато подключаются электронагреватели. То есть чем холоднее воздух, тем ниже коэффициент полезного действия. Таким образом, при температуре ниже -20 градусов, по сути, работает только электронагрев.
Вообще же электронагреватель дополнительно установлен практически во всех моделях тепловых насосов. Дело в том, что при выборе отопительной установки номинальная мощность рассчитывается в зависимости от максимальной потребности тепла, то есть для покрытия тепловой нагрузки в самый холодный зимний день. Однако многолетние наблюдения показывают, что продолжительность наиболее холодных периодов года не превышает несколько дней, а это значит, что при расчете на максимальную мощность значительная часть потенциала теплового насоса будет использоваться очень редко. Для выбора соотношения мощностей теплового насоса и электронагревателя существует специальный интегральный график.
Из этого графика видно, что если источник тепла состоит из двух элементов, один дорогостоящий, но вырабатывающий дешевую энергию, это тепловой насос с номинальной мощностью 60 процентов от расчетной нагрузки, и другой, дешевый, но вырабатывающий дорогую энергию, это электронагреватель, то за год первый источник выработает примерно 92 процента энергии, а второй около 8 процентов энергии. Такая комбинация позволяет снизить стоимость капитальных затрат и уменьшить срок окупаемости теплонасосной установки. Причем определяющим фактором является не стоимость самой установки, а стоимость обустройства внешнего контура.
Наиболее эффективным для энергоэкономичного дома сочетанием является комбинация теплого пола и теплового насоса. В этом случае энергия не только производится экономно, но и экономно используется. Водяной теплый пол представляет собой низкотемпературную систему отопления, температура теплоносителя 30-45 градусов. Если же сравнивать ее с традиционной радиаторной, где температура теплоносителя составляет 70-95 градусов, то экономия тепловой энергии может достигать 40-50 процентов. Отношение затраченной электроэнергии к выработанной теплонасосом тепловой энергии, то есть коэффициент полезного действия теплонасоса, во многом зависит от системы отопления, для которой поставляет тепло этот насос.
Чем меньше расчетная температура теплоносителя, тем больше эффективность теплового насоса. В силу технических ограничений температура, подаваемая в систему отопления из теплового насоса, не превышает 55 градусов, причем температура обратной воды не должна превышать 50 градусов. При радиаторной системе отопления необходимо специально рассчитывать отопительные приборы, чтобы использовать теплонасосную установку. При использовании же водяного теплого пола никаких специальных расчетов не требуется.
Даже при правильном расчете радиаторной системы отопления использование системы отопления «теплый пол» всегда будет давать более эффективное использование энергии, накопленной в окружающей среде. Кстати, тепловой насос вырабатывает тепло не только в отопительный период, тепло для системы горячего водоснабжения вырабатывается круглый год. А для среднего загородного дома энергозатраты на приготовление горячей воды составляют 15-20 процентов.
Александр СОКОЛОВ
Внешний контур, коллектор, представляет собой вынесенный в ту или иную наружную среду, например, уложенный в землю или воду трубопровод, в котором циркулирует незамерзающая жидкость. Во второй контур, где циркулирует хладагент, как и в бытовом холодильнике, встроены теплообменники, испаритель и конденсатор, а также устройства, которые меняют давление хладагента. Это распыляющий его в жидкой фазе дроссель, узкое калиброванное отверстие, и сжимающий его уже в газообразном состоянии компрессор.
Тепловой насос представляет собой источник энергии для системы отопления и горячего водоснабжения дома, но одновременно он может поддерживать и систему кондиционирования. Основное отличие теплового насоса от других генераторов тепловой энергии, электрических, газовых и дизельных, заключается в том, что при производстве тепла до 80 процентов энергии извлекается из окружающей среды. Тепловой насос выкачивает из различных сред солнечную энергию, накопленную за теплое время года.
А, например, тепловые насосы производства шведской компании Thermia представляют собой законченные изделия, готовые теплоснабжающие установки. Внутри такой установки находится бойлер объемом 150-180 литров, но может быть и внешний бойлер объемом до 1000 литров, насос внешнего контура, собирающего тепло окружающей среды, насос системы отопления, автоматика регулирования. Все, что нужно сделать в котельной, это подключить 6 трубопроводов, то есть контур отопления, внешний контур, горячую и холодную воду.
Установка компактна и внешне эстетична. Что же касается уровня шума, то в данном отношении работа установки вполне сопоставима с работой бытового холодильника. Монтажные работы не требуют больших трудозатрат, так как все уже собрано на заводе-изготовителе. При производстве таких установок используются проверенные годами схемные решения. Сборка осуществляется в заводских условиях, подтвержденных сертификатом ISO 9001. Итак, источником энергии могут быть грунт, скальная порода, озеро, воздух, это для специальных моделей, вообще любой источник тепла с температурой -1 градус и выше, доступный в зимнее время. Это могут быть река, море, сточные воды, выход теплого воздуха из системы вентиляции или система охлаждения какого-либо промышленного оборудования. Внешний контур, собирающий тепло окружающей среды, представляет собой полиэтиленовый трубопровод, уложенный в землю или в воду. Диаметр трубопровода, изготавливаемого из полиэтилена низкого давления, составляет 40 миллиметров. Теплоносителем является 30-процентный раствор этиленгликоля либо этилового спирта. Необходимая длина трубопровода рассчитывается по специальной программе Thermia.
При использовании в качестве источника тепла скальной породы трубопровод опускается в скважину. Не обязательно использовать одну глубокую скважину, можно пробурить несколько не глубоких, более дешевых скважин, главное, это получить общую расчетную глубину. Для предварительных расчетов можно использовать следующее соотношение. На 1 метр скважины приходится 50-60 ватт тепловой энергии. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 киловатт необходима скважина глубиной 170-200 метров.
При использовании в качестве источника тепла участка земли трубопровод зарывается в землю на глубину промерзания грунта. Минимальное расстояние между соседними трубопроводами составляет 0,8 метра. Специальной подготовки почвы, засыпок и прочих дополнительных мероприятий не требуется, но желательно использовать участок с влажным грунтом, идеально с близкими грунтовыми водами, однако сухой грунт не является помехой, это требует лишь увеличения длины контура. В этом случае ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода, составляет 20-30 ватт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 киловатт необходим земляной контур длинной 333-500 метров. Для укладки такого контура нужен участок земли площадью 400-600 квадратных метров.
При использовании в качестве источника тепла воды ближайшего водоема, реки контур укладывается на дно. Этот вариант является идеальным с любой точки зрения. Короткий внешний контур, тот факт, что температура воды в водоеме зимой всегда положительная, высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосом, все это плюсы данной схемы. Главным же условием является то, что водоем должен быть проточным и достаточным по размерам. В этом случае ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода, составляет 30 ватт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 киловатт необходимо уложить в озеро контур длинной 333 метра. Для того же, чтобы трубопровод не всплывал, на 1 погонный метр трубопровода устанавливается около 5 килограммов груза.
Иначе обстоит дело с теплонасосом Thermia Atria. Вместо того чтобы извлекать энергию из скважин, земли или водоема, эта установка собирает энергию из окружающего воздуха. Если возможности разместить грунтовый коллектор нет, данная модель является лучшим выбором. Как и обычные теплонасосные установки, Atria снабжает дом теплом и горячей водой и сокращает потребление энергии до 75 процентов. Однако в силу технических причин теплонасосные установки с воздушным контуром имеют серьезное ограничение в применении. Минимальная температура наружного воздуха не должна быть ниже -20 градусов, причем, начиная с температуры -10 градусов, к установке ступенчато подключаются электронагреватели. То есть чем холоднее воздух, тем ниже коэффициент полезного действия. Таким образом, при температуре ниже -20 градусов, по сути, работает только электронагрев.
Вообще же электронагреватель дополнительно установлен практически во всех моделях тепловых насосов. Дело в том, что при выборе отопительной установки номинальная мощность рассчитывается в зависимости от максимальной потребности тепла, то есть для покрытия тепловой нагрузки в самый холодный зимний день. Однако многолетние наблюдения показывают, что продолжительность наиболее холодных периодов года не превышает несколько дней, а это значит, что при расчете на максимальную мощность значительная часть потенциала теплового насоса будет использоваться очень редко. Для выбора соотношения мощностей теплового насоса и электронагревателя существует специальный интегральный график.
Из этого графика видно, что если источник тепла состоит из двух элементов, один дорогостоящий, но вырабатывающий дешевую энергию, это тепловой насос с номинальной мощностью 60 процентов от расчетной нагрузки, и другой, дешевый, но вырабатывающий дорогую энергию, это электронагреватель, то за год первый источник выработает примерно 92 процента энергии, а второй около 8 процентов энергии. Такая комбинация позволяет снизить стоимость капитальных затрат и уменьшить срок окупаемости теплонасосной установки. Причем определяющим фактором является не стоимость самой установки, а стоимость обустройства внешнего контура.
Наиболее эффективным для энергоэкономичного дома сочетанием является комбинация теплого пола и теплового насоса. В этом случае энергия не только производится экономно, но и экономно используется. Водяной теплый пол представляет собой низкотемпературную систему отопления, температура теплоносителя 30-45 градусов. Если же сравнивать ее с традиционной радиаторной, где температура теплоносителя составляет 70-95 градусов, то экономия тепловой энергии может достигать 40-50 процентов. Отношение затраченной электроэнергии к выработанной теплонасосом тепловой энергии, то есть коэффициент полезного действия теплонасоса, во многом зависит от системы отопления, для которой поставляет тепло этот насос.
Чем меньше расчетная температура теплоносителя, тем больше эффективность теплового насоса. В силу технических ограничений температура, подаваемая в систему отопления из теплового насоса, не превышает 55 градусов, причем температура обратной воды не должна превышать 50 градусов. При радиаторной системе отопления необходимо специально рассчитывать отопительные приборы, чтобы использовать теплонасосную установку. При использовании же водяного теплого пола никаких специальных расчетов не требуется.
Даже при правильном расчете радиаторной системы отопления использование системы отопления «теплый пол» всегда будет давать более эффективное использование энергии, накопленной в окружающей среде. Кстати, тепловой насос вырабатывает тепло не только в отопительный период, тепло для системы горячего водоснабжения вырабатывается круглый год. А для среднего загородного дома энергозатраты на приготовление горячей воды составляют 15-20 процентов.
Александр СОКОЛОВ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 24 за 2009 год в рубрике вода и тепло
