'Тепловые насосы' ООО

Принцип роботи ґрунтового геотермального теплового насосу

Теплонасоси грунтові - Принцип роботи грунтових теплонасосов

Більшості населення України поки малознайоме поняття "тепловий насос", але ми постійно їх використовуємо. Теплові насоси працюють у звичних холодильниках і кондиціонерах. Холодильники та кондиціонери стали настільки надійними, зручними та звичними, що ми навіть не звертаємо увагу на їх роботу.

Таким саме звичним, як для нас кондиціонери, для наприклад шведів, є опалення будинків геотермальними тепловими насосами. Геотермальний тепловий насос за принципом роботи схожий на звичайний кондиціонер або холодильник, але має підвищену енергоефективність, потужність та розширені функції.

Геотермальний тепловий насос, на відміну від кондиціонерів, адаптований для роботи при будь-яких погодних умовах і мінусових температурах. Головна проблема кондиціонерів - зменшення ефективності та зупинка кондиціонерів при мінусових температурах, коли опалення особливо потрібно - вирішена у геотермальних теплових насосах.

Теплові насоси не являють собою якихось чарівних пристроїв, діяльність яких розуміють тільки продавці та установники теплових насосів. Тепловий насос слід розглядати як будь-який інший опалювальний пристрій, що використовується для виробництва тепла, і у відношенні якого діють усі фізичні закони, що стосуються енергії. Як і в кожного способу опалення, також і в теплового насосу є свої особливості, переваги та недоліки. Теплотехнічні розрахунки у всіх способів отримання тепла однакові. Правила термодинаміки діють як при дров`яному пічному опаленні, так і при керуємому через Інтернет тепловому насосу. 

Технічні подробиці роботи теплових насосів
Принцип роботи теплового насосу відображений в циклі Карно, опублікованому в 1824 р. у його дисертації, та загальновідомий з шкільного курсу фізики. Практичну теплонасосну систему запропонував лорд Кельвін у 1852 р. під назвою „помножувач тепла”. Принципова схема зображена на малюнку

 

Відповідно до зображеного принципу дії, тепловий насос бере теплову енергію з одного міста, переносить (перекачує) її, та віддає у інше місце. Наприклад, у звичайному холодильнику тепло відбирається морозильною камерою з холодильника та викидається у кухню, при цьому задня поверхня холодильника стає гарячою.

У реверсивних кондиціонерів, працюючих на опалення, розташований ззовні будинку блок відбирає тепло з повітря та віддає внутрішньому блоку в будинок. Але, при температурах повітря біля плюс п`яти градусів Цельсія, зовнішній блок починає вкриватись ожеледдю та льодовою кригою з конденсату повітря, що зменшує ефективність теплопередачі. Для видалення льоду кондиціонер починає періодично опалювати зовнішній блок електроенергією, при цьому потужність опалення падає, витрати електроенергії зростають. При подальшому зниженні температури ефективність опалення на кондиціонерах стає близькою нулю, кондиціонер зупиняється.

Для збору тепла незамерзаюча рідина тече по трубі, розташованій у ґрунті або водоймі біля будинку, і надходить до теплового насосу. Теплонасос, подібно холодильнику, охолоджує незамерзаючу рідину (відбирає тепло), при цьому рідина охолоджується орієнтовно на 5 °С. Рідина знову тече по трубі у ґрунті або воді, відновлює свою температуру і надходить до теплонасосу. Відібрані тепловим насосом градуси передаються системі опалення та/або на підігрів гарячої води.

Тепловий  насос  може  використовувати  накопичену в скалах, ґрунті, воді сонячну енергію для нагріву будівлі: опалення, підігріву гарячої води, басейну, зимового саду, рушникосушарок тощо. Перетворення накопиченої в природі енергії в тепло для нагріву відбувається в трьох контурах. В ґрунтовому контурі (1) вільне тепло переходить від навколишнього середовища до незамерзаючої рідини, та подається при температурі біля нуля градусів до теплового насосу. В контурі фреону (2) теплонасос збільшує температуру отриманого тепла до 100 градусів. У контурі гріючої сторони (3) тепло від фреону переходить в систему опалення та розповсюджується по будинку.

1.Ґрунтовий контур

AВ трубах незамерзаюча рідина – розсіл – циркулює від теплового насоса до джерела тепла (скала/ґрунт/озеро/вода). Накопичена енергія джерела тепла нагріває розсіл на декілька градусів, наприклад від –3°C до 0 °C. 

B  Розсіл по трубам повертається у випарник теплового насосу. Тут розсіл віддає теплову енергію, охолоджується на кілька градусів з 0 °C до –3°C. Потім розсіл повертається до джерела тепла і отримує енергію знову. 

2.Контур фреону

C Фреон  циркулює  в  закритому  контурі  теплового  насосу, і також проходить через випарник. Фреон має дуже низьку температуру кипіння. У випарнику фреон отримує теплову енергію від розсолу, підігрівається з –20°C до ‐2°C, починає кипіти, і перетворюється в пар.  

D  Пар  надходить  до  компресору  з  електроприводом. Компресор стискає пар, тиск підвищується, і температура пара зростає від ‐2°C до +100 °C. 

E Від компресора пар надходить в теплообмінник – конденсатор – де він віддає тепло системі опалення, після чого газ охолоджується від +100°C до +70°C і конденсує в рідкий фреон. 

F Тиск фреону ще залишився високим, і він проходить через розширювальний перепускний кран. Тиск падає і фреон повертається до своєї початкової температури –20°C. Відбувся повний цикл. Фреон повертається у випарник і процес повторюється.

3.Гріюча сторона

G Теплова енергія, яку віддав фреон в конденсаторі, передається воді опалювальної системи, або на підігрів гарячої води, басейну, тощо. 

H Теплоносій  системи  опалення  циркулює  по  замкнутому  контуру. З температурою +40°C він підходить до теплового насосу, нагрівається в конденсаторі до +50°C, і транспортує тепло для нагріву води або радіаторів/опалювальних приборів. Віддавши тепло приборам, і охоловши до +40°C, теплоносій повертається до теплонасосу за наступною порцією тепла.

Вищенаведена схема застосовується при роботі в режимі обігріву.

У разі роботи в режимі кондиціонування геотермальний тепловий насос працює у зворотному напрямку, переносячи тепло з будинку в ґрунт або водойму.
Теплова енергія є в будь-якого предмету, що має температуру вище за мінус двісті сімдесят три градуси Цельсія. Тобто тепловий насос може відібрати тепло у будь-якого предмету - землі, водойми, льоду, підземної скали, води тощо.  В кліматичних умовах України для опалення будинку енергія береться з ґрунту (або водойми) та віддається до системи опалення будинку. Якщо ж будинок, наприклад влітку, потрібно охолоджувати, то відбувається зворотній процес - тепло забирається з будинку та скидається у землю (водойму). Той самий тепловий насос може працювати взимку на опалення, а влітку на охолодження будинку. Вочевидь, що тепловий насос одночасно може виконувати витікаючи функції - гріти воду для гарячого водопостачання, кондиціонувати, гріти басейн, охолоджувати наприклад льодовий каток, підігрівати дахи і доріжки від льоду тощо. Тобто єдиний пристрій може взяти на себе усі функції по тепло-холодопостачанню будинку або комплексу будівель.

Обмін теплом із навколишнім середовищем геотермальні теплові насоси здійснюють такими основними способами

- насос з відкритим циклом - з підземного потоку (пливуна) забирається чиста вода, подається до розташованого в будинку теплового насосу, вода віддає/забирає тепло у теплового насосу, і повертається до підземного потоку на відстані від міста забору. Плюсом такого способу є можливість одночасного використання підземної води для водопостачання будинку. Такі системи є дуже ефективними, адже температура підземної води є відносно високою і цілорічно стабільною. Використання підземної води не шкодить ґрунтовим водам, не змінює рівня ґрунтових вод у водному горизонті, оскільки відкриту систему можна розглядати як сполучені посудини, де вода, відбираєма з однієї свердловини, повертається на своє місце через другу свердловину. Коректно, у відповідності з нормативами споруджені свердловини забезпечують безпечну для оточуючої природи стабільну роботу системи опалення.

 

- насос з закритим циклом і водорозташованим теплообмінником - спеціальна рідина (теплоносій) прокачується по колекторам (трубкам), що знаходяться у водоймі, та віддає/забирає тепло у водойми. Будинки доцільно опалювати енергією відкритої водойми в тому випадку, якщо будинок знаходиться від водойми ближче 100 метрів, і глибина водойми, а також берегова лінія відповідає вимогам, потрібним для облаштування колектору. Плюсом такого способу є відносна дешевизна.

 Розподілені на поверхні озера колектори (трубки) перед заповненням теплоносієм та зануренням їх на дно.

 

теплообмінники теплового насосу - пластикові труби - на поверхні озера перед зануренням теплообмінники теплового насосу - пластикові труби - на поверхні річки перед зануренням

- насос з закритим циклом і горизонтальним теплообмінником, розташованим у ґрунті - трубки, в яких прокачується теплоносій, розташовані горизонтально на глибині не менш одного метра від поверхні ґрунту. Такий теплообмінник зазвичай звуть поверхневим колектором. Головною загрозою є необережність при проведенні землекопних робіт у зоні находження поверхневого колектора. Для сучасного будинку з опалювальною площею в 200 м2 під колектор потрібно біля 500 м2 поверхні ґрунту. При облаштуванні колектору поблизу дерев трубу колектора не слід укладати ближче, ніж 1,5 метра від крони. Правильно обраний по розмірам і правильно укладений ґрунтовий колектор не впливає на ріст рослин та екологічні умови.

  

- насос з закритим циклом і вертикальним теплообмінником - трубки, в яких прокачується теплоносій, розташовані вертикально у ґрунті та спрямовані у глибину землі до 200 метрів (зазвичай 50 - 100 метрів). Такий теплообмінник зазвичай звуть зондом. Як відомо, на глибині 15-20 м від поверхні земля має стабільну температуру 10-12 градусів Цельсія незалежно від пори року. Із збільшенням глибини температура землі підвищується. Цей спосіб забезпечує найбільш високу ефективність роботи теплонасосу, малі витрати електроенергії та дешеве тепло - 1 кВт електроенергії забезпечує до 5 кВт теплової енергії, але має більші початкові капіталовкладення.

 

Теплові насоси, що забирають/віддають тепло з землі або води, в Європі зазвичай звуть "геотермальні теплові насоси" або "ґрунтові теплові насоси", англійською - «GHP». Всі зображені вище способи використовують GHP. В деяких країнах такі теплові насоси мають інші назви. Наприклад у Великобританії до геотермальних відносять лише насоси з вертикальним теплообмінником, а інші способи звуть "землерозташованими", "ґрунтовими" або "сонячними" теплонасосами. У Західній Україні "теплові насоси" інколи звуть "теплові помпи". Різниця у назвах не змінює суті роботи геотермальних теплових насосів/помп.

 В Україні лише починається створення нормативно-правової бази, що регулює правила встановлення геотермальних теплонасосів. Тому доцільно користуватись вимогами, технологією та рекомендаціями виробників обладнання та нормативно-правовою базою Європейського співтовариства. Вочевидь не всі робітники, що можуть взятись за роботи з встановлення, знайомі з цими вимогами та технологіями. Залучення некваліфікованого персоналу призведе до неякісного встановлення.