Вторая жизнь солнечного тепла (часть 1)
Экономичный вариант обогрева дома с помощью коллекторов, аккумулирующих солнечную энергию, удобен не для всех. Их рабочая поверхность занимает значительную площадь, должна быть всегда открыта солнечным лучам и эксплуатируется в светлое время суток. Существует и иной способ превращения энергии Солнца в тепло для жилища - посредством теплового насоса. Его протяжённые коллекторы могут функционировать постоянно и располагаются ниже уровня земли
Нагрев воздуха кондиционером
Известно, что основное
назначение кондиционера, помимо очистки, осушения и обеспечения
рециркуляции воздуха в помещении, - охлаждение его в жаркое время года.
Однако, если испаритель и конденсатор поменять местами, то эта
климатическая установка превратится в энергоэффективный нагревательный
прибор, который забирает тепло у нагретого солнцем атмосферного воздуха
и переносит в жилище. Такой режим работы устройства называют нагревом.
В моделях кондиционеров высокого класса предусмотрено два режима -
охлаждение и нагрев, а также установлена автоматика управления -
контроллер, осуществляющий полный климат-контроль в доме без участия
человека. Пользователю достаточно выбрать специальный режим (обычно
называемый Auto), задать на пульте значение комфортной температуры, и
кондиционер сам будет нагревать или охлаждать воздух в помещении по
мере необходимости. Технология управления может быть как инверторная,
так и коммутационная (вкл./выкл.).
Однако холодный атмосферный
воздух снижает эффективность этого процесса, и при отрицательной
температуре придётся пользоваться другими отопительными устройствами,
например электронагревателями или газовым котлом.
О наружном и внутреннем контурах теплового насоса
Источником
тепла, помимо атмосферного воздуха, может выступить иная большая по
объёму природная среда с положительной температурой и доступная в
зимнее время, например грунт, подземные воды, воды естественного или
рукотворного водоёма. Подойдут также сточные воды, тёплый вытяжной
воздух системы вентиляции или системы охлаждения какого-либо
промышленного оборудования, тепло технологического процесса. Если это
грунт, то в него укладывают полиэтиленовый трубопровод достаточно
большой длины с теплоносителем («рассолом»), он будет циркулировать по
замкнутому контуру и переносить тепло из одного места в другое. Как и в
кондиционере, летом оно передаётся из дома на улицу, а зимой, наоборот,
снаружи - в дом. В первом случае возможен режим так называемого
пассивного охлаждения, при котором компрессор не включают, что экономит
до 85% электроэнергии, ведь в жару температура под землёй ниже, чем на
улице. Холодная вода поступает либо в рекуператор системы вентиляции
для охлаждения приточного воздуха, либо в систему трубопроводов пола,
стен; а для создания наиболее комфортного микроклимата - в отдельный
контур на потолке (система «холодный потолок»). В результате в доме
достигается приятная прохлада.
Из двух видов тепловой энергии земли
- высокопотенциальной и низкопотенциальной - повсеместно используется
лишь вторая, поскольку термальные воды, нагретые до высокой температуры
в результате геологических процессов, являются редкостью (в России они
есть на Камчатке и в районе Кавказских Минеральных Вод).
Низкопотенциальная же тепловая энергия земли доступна практически
везде, но для эффективной её эксплуатации требуется тепловой насос.
Иными словами, между наружным коллектором тепла и системой отопления
дома нужен промежуточный контур, играющий роль своеобразного
повышающего «термотрансформатора».
Примеры настенных сплит-систем с режимом Auto
|
Характеристика |
|
Производитель, модель кондиционера |
|
|||
|
|
FUJITSU ASYB09L |
MITSUBISHI HEAVY SRK/SRC28HJ |
PANASONIC CS-PA12GKD |
DAIKIN FTXS/RXS25 |
SANYO SAP-KC127RHAX |
|
|
Производительность, |
Охлажд |
2,6 |
2,5 |
3,4 |
2,5 |
3,3 |
|
кВт |
Нагрев |
3,0 |
2,9 |
3,8 |
3,4 |
3,6 |
|
Коэффициент энергоэффективности |
Охлажд |
2,9 |
2,65 |
3,2 |
4,6 |
3,1 |
|
Нагрев |
3,5 |
3,3 |
3,8 |
4,5 |
3,4 |
|
|
Хладагент |
R410A |
R22 |
R22 |
R410 |
R410 |
|
|
Мин. рабочая температура, 'С |
-5 |
-5 |
-5 |
-15 |
-10 |
|
|
Технология управления |
инвер-торная |
коммутационная |
коммутационная |
инвер-торная |
коммутационная |
|
Процесс переноса тепла тепловым насосом
Тепловой насос
переносит энергию с использованием трёх контуров - наружногос
коллектором тепла, где циркулирует «рассол», внутреннего с системой
отопления коттеджа, заполненного теплоносителем, и собственного,
содержащего хладагент, который передаёт тепло из первого контура во
второй внутри установки. Последовательность передачи тепла следующая.
1. Охлаждённый в установке «рассол» при прохождении по коллектору наружного контура нагревается на 4-5 °С.
2.
Вернувшись в установку, он отдаёт в испарителе собранное тепло и опять
течёт по наружному контуру за новой порцией тепла. Хладагент же
собственного контура установки обладает очень низкой температурой
кипения и при прохождении через испаритель изменяет своё жидкое
состояние на газообразное за счёт теплообмена с «рассолом». Это
происходит при низком давлении и температуре -3...-5 °С.
3. Далее
газообразный хладагент по собственному контуру установки попадает в
компрессор, где сжимается до высокого давления с одновременным резким
повышением температуры.
4. Потом горячий газообразный хладагент
поступает во второй теплообменник - конденсатор. Здесь происходит
теплообмен между хладагентом и теплоносителем внутреннего контура,
идущего в дом, например водой. Нагретый теплоноситель подаётся по
внутреннему контуру к отопительным приборам, а охлаждённый хладагент
снова изменяет своё состояние на жидкое.
5. Давление и температура
хладагента после дроссельного клапана внутреннего контура падают до
исходных значений, и он попадает в испаритель, где опять готов к
теплообмену с «рассолом», нагретым в коллекторе. Таким образом, цикл
повторится снова.
Следует подчеркнуть, что тепловой насос нагревает
воду в отопительной системе до меньших температур, чем это делают
электрические и другие типы обогревательных приборов. В результате
почти отсутствует ощущение сухости воздуха, какое обычно испытываешь
при традиционных видах отопления.
Необходимая длина коллектора
зависит оттребуемой тепловой производительности, его диаметра и типа
грунта. Грунтовым теплообменником могут служить трубы диаметром 32 или
40 мм из сшитого полиэтилена (РЕ-ХАа), полиэтилена ПЭ 100,
полипропилена, полибутана с «рассолом» в виде 30%-го раствора
пропиленгликоля (безопасен, используется даже в качестве пищевой
добавки), этиленгликоля либо этанола. Расскажем о коллекторах тепла,
входящих в состав наружного контура.
Тепловой насос (ТН, heat
pump) - это устройство для теплообмена с любым природным аккумулятором
солнечной энергии - грунтом, воздухом или водой. Его основное отличие
от источников тепловой энергии на невозобновляемом топливе (газе, угле,
дровах, солярке и даже уране) в том, что тепло берётся из окружающей
среды без сокращения природных энергонесущих ископаемых и без потерь на
преобразование одного вида энергии в другой. Такое устройство (при
условии нагрева теплоносителя до 45 °С) пригодно для отопления и
горячего водоснабжения коттеджа, теплопотери в котором не превышают
60-80 Вт/м2, поэтому здание должно быть хорошо утеплено.
Типовые величины теплоотдачи основных видов почвы при бурении скважин*]
|
Разновидность почвы |
Погонная теплоотдача, Вт/м |
|
Сухие отложения |
25 |
|
Обычные водонасыщенные отложения |
60 |
|
Обычные отложения(среднее значение) |
50 |
|
Щебень с сухим песком |
25 и меньше |
|
Щебень с водоносным песком, песчаник |
65-80 |
|
Глина, влажный суглинок |
35-50 |
|
Известняк |
55-70 |
|
Гранит, гнейс |
65-85 |
|
Базальт |
40-65 |
'При коэффициенте теплопередачи 4, глубине скважины до 100 м и ежегодном времени теплосъёма до 1800 ч.
Вертикальный грунтовый зонд
Грунт на глубине 15 м и ниже
от поверхности земли имеет зимой и летом одну и ту же температуру,
близкую к 8 °С. При создании грунтового зонда трубопровод опускают в
скважину, в последующем бетонируя её специальным раствором повышенной
теплопроводности. Если более глубокие слои грунта имеют худшие
показатели теплосъёма или на первый план выходят соображения экономии
средств, целесообразнее бывает пробурить несколько неглубоких скважин;
главное - получить в сумме расчётную глубину. Погонная теплоотдача
грунта падает с началом эксплуатации зонда, но постепенно
стабилизируется и через пять лет почти достигает исходных величин.
Среднее значение погонной теплоотдачи с метра длины зонда составляет
50-60 Вт. Так, для теплового насоса производительностью 10 кВт
потребуется скважина глубиной до 200 м.
Горизонтальный грунтовый коллектор
Горизонтальный
коллектор зарывают в землю на 20 см ниже глубины промерзания, чаще
всего укладывая его змейкой. Минимальное расстояние между петлями -
0,6-1,0 м. При каменистой почве под коллектором устраивают песчаную
подушку, а сверху засыпают мягким грунтом, чтобы избежать повреждения
трубопровода. Желательно, чтобы грунт
был влажным, в идеале - с
близкими подземными водами. Если он сухой, длину коллектора придётся
увеличить. Ориентировочное значение удельной теплоотдачи грунта
составит 20-30 Вт/м2, и для теплового насоса производительностью 10 кВт
понадобится до 500 м трубопровода.
Горизонтальный коллектор можно
уложить на площади земли от 4 до 6 соток, при этом и ландшафт, и
плодородность почвы останутся без изменений, но строить что-либо или
сажать растения с глубокими корнями и густой развесистой кроной на
данном участке нельзя.
Подземные воды (колодезные скважины)
Грунтовые воды
являются наиболее эффективным источником тепла, поскольку их постоянная
в течение года температура 5-8 °С обеспечивает самую высокую среди всех
используемых сред теплоотдачу. Делают две скважины, располагая их на
расстоянии не менее 5 м друг от друга, - для подачи воды и для сброса
её после теплового насоса. Из первой грунтовые воды подаются в
установку с помощью погружного насоса, а затем через вторую вновь
попадают в грунт. При монтаже такого теплового насоса дебит подающей
скважины на глубине 15 м должен быть достаточным и она должна
находиться выше по течению подземных вод, чем вторая скважина. При
подаче воды с большой глубины или при производительности установки
свыше 30 кВт насос потребляет довольно много электроэнергии, качество
воды зачастую не соответствует требованиям (понадобится монтаж и
регулярное техническое обслуживание испарителя), а дебит скважины с
течением времени может снизиться.
Водоём
При использовании в качестве источника энергии
ближайшего водоёма трубопровод укладывают на дно. Но есть три
обязательных условия - водоём должен быть проточным, не промерзать до
дна зимой и иметь достаточный объём воды. На погонный метр трубопровода
устанавливают около 5 кг груза для исключения всплытия. Ориентировочное
значение погонной теплоотдачи составит 35 Вт/м, и для
производительности 10 кВт придётся уложить трубопровод длиной порядка
300 м.
Атмосферный воздух
Как и кондиционер, работающий в режиме
нагрева, тепловой насос сокращает потребление энергии на подачу тепла и
горячей воды в дом до 75%, но при температуре атмосферного воздуха выше
-10 °С. В случае более низких температур установка ступенями подключает
электрические ТЭНы, поэтому её энергоэффективность постепенно падает. А
при морозах от -20 °С работает только электрический нагрев.
Конструкция установки
Согласно общепринятой классификации
климатического оборудования, установку для теплового насоса с жидкими
теплоносителями в наружном и внутреннем контурах и способностью
работать в режимах нагрева и охлаждения правильнее назвать реверсивным
чиллером с водяным охлаждением. При небольшой мощности она обычно
содержит все необходимые функциональные компоненты: циркуляционный
насос наружного контура с реле давления, конденсатор, испаритель,
компрессор, дроссельный клапан, насос системы отопления дома,
контроллер. Иногда также имеется встроенный водонагреватель объёмом
150-180 л и/или контур пассивного охлаждения, электронагреватель.
Остаётся подключить к установке три контура: наружный - для съёма тепла
из окружающей среды, внутренний - для отопления жилища и, в случае
надобности, контур для приготовления горячей воды.
Типовые величины теплоотдачи основных видов почвы при горизонтальной укладке трубопровода*
|
Свойства почвы |
Удельная теплоотдача, Вт/м2 |
|
Связный грунт с остаточной влажностью |
30 |
|
Несвязный грунт сухой |
10 |
|
Связный грунт влажный |
20-30 |
|
Видонасыщенный песок, щебень |
40 |
Буферный накопитель воды обеспечит устойчивую работу системы отопления, а кроме того, позволит максимально использовать дешёвый ночной тариф оплаты электроэнергии, чтобы покрыть в дневное время (частично либо полностью) потребность в тепле за счёт содержащейся в накопителе тепловой энергии. Важно применять при создании установок проверенные годами схемные решения, а также рассчитанный с запасом и грамотно исполненный контур съёма тепла.
Дополнительный электронагреватель
В тепловом насосе, как
правило, предусматривают электронагреватель. Каково его назначение?
Дело в том, что номинальную мощность установки рассчитывают исходя из
максимальной потребности в тепле, то есть для покрытия тепловой
нагрузки в самый холодный зимний день в году. Так, для
Санкт-Петербурга, например, минимальная расчётная температура -26 'С.
Однако, согласно многолетним наблюдениям, количество дней с такой
температурой за отопительный период невелико, соответственно создавать
контур съёма тепла на максимальную мощность будет неоправданно дорого.
Для
выбора соотношения мощностей теплового насоса и электронагревателя
строят интегральный график. Из него следует, что при поступлении тепла
от двух источников - теплового насоса, работающего с номинальной
мощностью, например, 60% от расчётной нагрузки, и электронагревателя,
первый за год даст приблизительно 92% тепловой энергии, а второй -
около 8%. Такое распределение выбрано потому, что производство тепла
первым источником стоит дешевле. Это позволяет снизить капитальные
затраты и срок окупаемости всей установки. Определяющим фактором
окажется не стоимость самих устройств, а величина расходов на создание
наружнего контура съёма тепла с земли либо воды (если источником тепла
служит вода, затраты на энергопотребление повысятся за счёт включения в
систему всасывающего насоса).
Основные правила обеспечения высокой энергоэффективности
При использовании теплового насоса необходимо соблюдать три правила:
1.
Дом следует хорошо утеплить - теплопотери не должны превышать 80 Вт/м2.
Чем лучше теплоизолировано здание, тем экономичнее работа теплового
насоса. Именно по этой причине его часто устанавливают в пассивных
домах.
2. Чем значительнее
разница температур теплоносителей на входе и выходе установки, тем
меньше коэффициент Ктп - за счёт большего расхода электроэнергии.
Поэтому выгоднее подключать тепловой насос к низкотемпературным
системам отопления - водяному полу или рекуператору приточно-вытяжной
вентиляции.
3. Бивалентная схема с дополнительным генератором тепла
«выравнивает» энергоэффективность установки в течение года. Поскольку
количество действительно холодных дней не превышает 10-15% от
длительности отопительного сезона, то производительность теплового
насоса обычно берут равной 75-80% от расчётной на отопление. Она будет
покрывать все потребности дома в тепле до тех пор, пока уличная
температура не опустится ниже определённого уровня (температуры
бивалентное), например -10 °С. С этого момента в работу включается
второй генератор тепла и микроклимат в коттедже поддерживается двумя
одновременно работающими установками.
Первоначальные затраты на
тепловой насос и монтаж системы (без коллектора) составят от 7000 до 21
000 руб./кВт при сроке окупаемости 5-9 лет. По экономичности
эксплуатации он уступает лишь газовому котлу, а применение его вместо
электроотопления даёт почти четырёхкратную экономию. Что же касается
экологичности, то тут тепловой насос бесспорный лидер.
О том, что нагрев воздуха в помещении с помощью кондиционера или чиллера более экономичен сточки зрения расходования первичных энергоресурсов, мы уже не раз писали в обзорах о климатических системах. Для определения эффективности работы кондиционера даже не используют хорошо известный из школьного курса физики показатель КПД (коэффициент полезного действия), отражающий потери энергии при переходе её из одной формы в другую. Работу теплового насоса оценивают с применением другого показателя - коэффициента теплопередачи Ктп, равного отношению энергии в киловаттах передаваемого воздуху тепла (холода) к потребляемой при этом от электросети и аналогичного коэффициенту энергоэффективности кондиционера (СОР или EER соответственно). У самых энергоэффективных тепловых насосов он достигает величины четыре и более, причём его значения в режиме нагрева несколько выше, чем в режиме охлаждения.
Продолжение статьи - читать