Воздушные геотермальные тепловые насосы

Основным требованием комфортного проживания в жилом доме, является температура воздуха внутри помещения в течение всего года, то есть, при любом состоянии атмосферы. Одним из способов обогрева жилища является тепловой насос как вспомогательный или основной источник тепла. Не будет преувеличением сказать, что аналогичное устройство имеется практически в каждом доме и это холодильник. Только целью его использования является понижение температуры воздуха в ограниченном пространстве, а выделяемое при этом тепло на задней стенке является побочным продуктом, который выделяет наружный контур.

Содержание статьи:

Условия применения тепловых насосов

Если в месте проживания отсутствует контур магистрального газоснабжения, то основным средством отопления является твердое топливо. Такой обогрев жилища является очень хлопотным и затратным, тепловой насос любого вида в таких условиях весьма уместен.

При отсутствии электричества выходом может стать применение генератора на ДВС, что является несомненным плюсом таких систем.

Однако основной причиной применения такого устройства является желание оптимизации затрат на отопление за счет использования тепла из окружающего пространства.

Целесообразно рассмотреть, какие виды тепловых насосов существуют и как они применяются:

Геотермальный тепловой насос использует для дополнительного прогрева воздух, полученный из заглубленного в грунт контура труб, получая из этого устройства продукт с положительной температурой в течение всего года. Известно, что ниже глубины промерзания грунта температура всегда положительна, следовательно, прошедший по контуру воздух на выходе будет иметь плюсовые значения. Источником подогрева воздуха, поступающего в геотермальный тепловой насос, может быть и скважина на воду и специально пробуренный в земле сухой шурф для размещения в нем контура подогрева воздуха из труб.
Воздушный тепловой насос с успехом может быть применен в южных регионах страны, однако в средней полосе и северных районах такие устройства неэффективны.

Рис.1. Горизонтальная система подогрева наружного воздуха для теплового насоса

Источником тепла в регистре подогрева воздуха может служить энергия термальных вод естественных водоемов или искусственных водозаборов.

Рис.2. Сбор тепла через водоемы

Следует отметить, что в глубоких артезианских скважинах температура вод может достигать 15 – 17 градусов, которую с успехом утилизирует геотермальный тепловой насос в процессе работы.

Как работает теплонасос

Как было отмечено ранее, принцип работы такого агрегата сходен с тем, который применяется в холодильнике, только наоборот. Принципиальная динамическая схема теплового насоса, по которой он работает

Теплонасос подключается к отопительной системе из двух контуров, представляя собой третий теплообменный контур. По внешней части сети устроена циркуляционная система теплоносителя, поглощающего тепло из находящегося в трубах воздуха. В таком виде он поступает в компрессор для теплового насоса, подающего его во внутренний контур, называемый капилляром. Под воздействием работы компрессора создается высокое давление в этом контуре, приводящее к резкому повышению температуры теплоносителя. При этом происходит нагрев вод, циркулирующих в системе отопления здания. Дальнейшее повышение давления во внутреннем контуре снижает скорость нагрева вод, открывается дроссель и выпускает теплоноситель во внешний контур. Далее цикл повторяется и производится это постоянно.

Типы теплонасосов

Такие устройства для отопления дома подразделяются на типы в зависимости от характера работы по использованию рассеянного тепла:

грунты – вода, используется тепловая энергия глубинных термальных вод или донных вод естественных водоемов, собираемая коллекторными контурами вертикальных или горизонтальных систем. Так работает геотермальный тепловой насос;
вода – вода, применяется незамкнутый тепловой контур глубинных скважин для забора или сброса грунтовых вод, внутренний отопительный контур замкнут;
вода – воздух, с использованием собранной энергии вод и воздушного контура отопительной системы;
воздух – воздух – воздушный тепловой насос, принцип работы состоит в использовании собранной энергии воздушных масс и внутреннего воздушного отопления дома.

Расчет мощности системы

Для производства расчета можно воспользоваться несложной формулой, дающей приемлемый по точности результат:

R = (k * v * T)/860, где

R – мощность, необходимая для обогрева помещения

k – коэффициент для учета тепловых потерь зданием (1 – качественно утепленное помещение, 4 – дощатый барак);

v – общий объем помещения, подлежащего отоплению;

T – наибольший перепад температур внешнего мира и внутридомового пространства;

860 – коэффициент перевода результата расчета в кВт из ккал.

Для геотермального теплового насоса «вода – вода» необходимо также произвести расчет необходимого количества труб для наружного регистра. Установлено, что один метр трубопровода дает приблизительно 30 Вт, следовательно для 1 киловатта потребуется 22 метра труб.

Для примера произведем расчет системы по следующим исходным данным:

площадь отапливаемого здания составляет порядка 300 квадратных метров;
высота помещений равна 2,8 метра;
здание утеплено по классу «4»;
минимальная наружная температура воздуха составляет -25^ОС;
заданная температура воздуха в здании — +22^ОС;

Расчет отапливаемого объема здания дает результат: 300 х 2,8 = 840 кубометров.

Расчет значения перепада температур выглядит следующим образом: 22 – (-25) = 47^ОС.

Полученные данные подставляем в соотношение и делаем расчет:

R = 1 * 840 * 47 / 860 = 45,9 (кВт)

Таким образом, как показывает расчет, для отопления здания по указанным исходным данным потребуется теплонасос мощностью порядка 50 кВт, с учетом запаса примерно 10 % к расчету. Основным показателем, влияющим на показатель мощности, является разность температур воздуха, что очевидно из порядка расчета.

Расчет длины трубопровода: 50000 / 30 = 167 (метров).

Монтаж теплового насоса и работы по оборудованию для извлечения геотермальных вод требуют профессиональной подготовки и специального оборудования для выполнения работы, что требует приглашения стороннего участника.

Воздушный тепловой насос может быть использован в двух направлениях – в теплое время года охлажденный воздух подается внутрь здания, а горячий используется ГВС или подогрева воды в бассейне. Это один из факторов, представляющих несомненные плюсы таких систем.

Положительные и отрицательные стороны использования тепловых насосов

Как и всякий процесс, отопление теплонасосами имеет свои плюсы и минусы.

К минусам следует отнести высокую цену оборудования и значительные объемы работы по установке системы в земле и источниках грунтовых вод. Кроме того, жизнестойкость системы ограничена примерно 20 годами, после чего ее придется менять, что можно расценить как явный минус.

Производство теплонасосов

Агрегаты отопления такого типа все более активно производятся и в России. Производства сосредотачиваются на ЗАО «Энергия» в Новосибирске в кооперации и сотрудничестве с такими представителями российского машиностроения, как комплекс «Тепломаш», питерский «Кировский завод» и ФГУП «Рыбинский машиностроительный завод». Производятся агрегаты мощностью от 10 до 3000 кВт, планируется производство теплонасосов до 30000 кВт.

Заключение

Теплонасосы не просто перспективное направление в энергетике, за ними будущее, поскольку природные ресурсы теплоносителей не бесконечны.

Советуем почитать: тепловой насос вода — вода