Актуальность применения геотермального теплового насоса

Геотермальные тепловые насосы

Весь мир делает это!

«Английская королева бурит скважину, чтобы обогреть свой дворец» — так называлась статья, опубликованная в лондонской газете «Таймс».

В статье рассказывается о том, что английский королевский двор проводит модернизацию отопительной системы, заменяя устаревшие электрические обогреватели современными геотермальными тепловыми насосами.

Эти насосы будут отапливать Букингемский дворец, используя тепло озера, расположенного в придворном саду.

Интерес к геотермальным системам теплоснабжения объясним, если учесть английские тарифы на тепловую и электрическую энергию.

Несмотря на сложность проектировки и некоторые формальные ограничения, сектор коттеджного строительства все чаще обращается к теме автономного теплоснабжения.

Что это такое?

Геотермальный тепловой насос (в англ. варианте Geothermal Heat Pump — GHP) объединяет в себе возможности отопления и кондиционирования.

Как и любые другие виды кольцевых теплонасосных систем, геотермальные используются как в коттеджном строительстве, так и для оборудования крупных объектов: офисных и гостиничных центров, административных зданий, многоэтажных жилых домов, промышленных цехов.

Исторически геотермальные тепловые насосы начали активно использоваться в 1970-х годах, когда мир ощутил первый серьезный энергетический кризис. GHP появились первым делом в домах высшей ценовой категории.

Постепенное удешевление технологии привело к тому, что геотермальные тепловые насосы стали массово применяться в США при строительстве. Их также стали использовать при модернизации климатических и отопительных систем.

Геотермальный тепловой насос объединяет в себе многочисленные возможности систем отопления и кондиционирования

Геотермальные тепловые намсосы установлены в крупнейших зданиях мира — в небоскребах и супермоллах. Самый известный пример — нью-йоркская высотка The Empire State Building.

Специалисты утверждают, что только в США ежегодно производится 1-1,2 млн геотермальных тепловых насосов.

Шведы заявляют, что 70 % всего тепла в стране вырабатывается геотермальными тепловыми насосами.

Большую долю потребности в тепловой энергии Стокгольма (320 МВт) обеспечивает геотермальная станция, перекачивающая тепло из Балтийского моря, температура воды в котором +8 °C.

Как это работает?

Принцип действия теплового насоса вообще и геотермального в частности относительно прост. По сути, это обычная установка, напоминающая бытовой холодильник. При кондиционировании агрегат с помощью хладагента и компрессора аккумулирует холод, а при обогреве — тепло.

Хладагент проходит через испаритель (теплообменник), нагревается до температуры окружающей среды, закипает и испаряется. Далее компрессор сжимает полученный пар, что позволяет нагревать воздух или рабочую жидкость отопительного контура, проходящую через другой теплообменник, до 30-65 °C.

Затем давление сбрасывается и хладагент вновь поступает в испаритель.

Так работает любой водяной тепловой насос. В качестве источника тепла может использоваться атмосферный воздух внутри здания, теплоцентраль, газовый или электрический котел.

Все эти источники тепла являются высокопотенциальными, за исключением случаев, когда тепловые насосы утилизируют тепло, уже произведенное внутри здания.

Главный минус высокопотенциальных источников тепла заключается в том, что они дороги и с ростом цен на энергоносители будут дорожать еще больше.

Эффективность использования геотермальных тепловых насосов основана на том, что испарение хладагента производится с помощью низкопотенциальных источников тепловой энергии

Эффективность использования геотермальных тепловых насосов основана на том, что испарение хладагента производится с помощью низкопотенциальных источников тепловой энергии. Для того чтобы геотермальный тепловой насос работал эффективно, достаточно внешней температуры теплоносителя +4 °C.

Такой температурой почти всегда обладают естественные источники: земля (на глубине), водоемы, которые не промерзают зимой до дна, родники и грунтовые воды, моря.

Дешевое тепло можно забирать от технологических и промышленных объектов: тепло сточных и промышленных сбросов, силовых установок, трансформаторов.

Таким образом, установка затрачивает только электрическую энергию на работу циркуляционного насоса контура и на работу компрессоров тепловых насосов для перекачки тепла.

Поэтому нет ничего удивительного в высокой эффективности работы GHP — система использует тепло, уже накопленное ранее. КПД геотермальной теплонасосной установки может достигать значений в 350-700 %.

Коэффициент преобразования у GHP-систем (отношение теплоты, отдаваемой потребителю к затраченной энергии) зависит от разности требуемой температуры (t1) и температуры источника низкопотенциального тепла (t2), термодинамических свойств жидкости в контуре и особенностей работы каждого вида тепловых насосов. Но в общем виде можно считать, что этот коэффициент преобразования зависит целиком от разности температур t1 и t2. Чем меньше эта разность, тем выше коэффициент преобразования.

Для сравнения эффективности различных видов котельного и отопительного оборудования, например, газового и электрического, и сравнения GHP разных типов применяется обобщенный критерий — коэффициент преобразования первичной энергии К.

Он определяется как отношение полученной полезной теплоты (выработанной тепловой энергии) к массе топлива, затраченного на его получение (в условных единицах).

Для работы теплового насоса топливо затрачивается только в процессе выработки минимального количества электроэнергии, необходимого для компрессора и циркуляционного насоса.

Удачное сочетание описанных параметров позволяет достигать высокой энергоэффективности. Сближение температур t1 и t2 достигается совершенствованием систем использования теплоты. Например, для современной системы напольного отопления достаточна температура 25-35 °C, тогда как для традиционной системы отопления необходим высокотемпературный источник, нагретый до 70-100 °C.

Типовая геотермальная схема

Сравнение различных альтернатив построения отопительной системы показывает, что наименее эффективен прямой электрический обогрев (К = 0,27-0,34).

Отопление прямым сжиганием углеродистого топлива в котельной приводит к потере около 20 % первичной энергии — коэффициент использования первичной энергии примерно равен КПД котельной: К = 0,75-0,85. При правильной же проектировке тепловых насосов можно получить коэффициент К > 1.

Компоновка и организация

Классическая геотермальная система может быть организована четырьмя способами: с открытым контуром (open loop); с водоемным контуром (pond loop); с вертикальным теплообменником (vertical loop); с горизонтальным теплообменником (horizontal loop). При открытом контуре на теплообменник подается неподготовленная вода из водоема или скважины.

Вода проходит через испаритель, после чего возвращается обратно в водоем. Данный тип геотермальной системы считается наиболее экономичным как в монтаже, так и в эксплуатации. Однако это в идеальных условиях. В реальной жизни неподготовленная вода может вести себя достаточно агрессивно по отношению к поверхностям теплообменника и коммуникациям.

Это провоцирует повышение эксплуатационных затрат.

Водоемный цикл возможен, если в непосредственной близости от здания имеется озеро, река или другой непромерзающий водоем. Контур укладывается на дно и протягивается до дома. Внутри контура циркулирует по закрытому циклу подготовленная вода либо антифриз. Этот вид системы хорош тем, что требует минимума земляных работ, благодаря чему является достаточно экономичным при монтаже.

Вертикальный теплообменник — это система труб, интегрированная в скважину. Глубина скважины может варьироваться в пределах 20-120 м. По трубам циркулируют вода или антифриз, которые переносят тепло с глубины, где температура всегда постоянна и находится на уровне 8-10 °С.

Достоинство такой системы в том, что она не занимает много места, а бурение скважины — относительно недорогая и быстрая процедура.

Горизонтальный теплообменник закладывается в том случае, если есть достаточные площади. Замкнутый контур укладывается кольцами в траншеи. Общая протяженность такого контура варьируется от 30 до 120 м.

Эффективность использования геотермальных тепловых насосов основана на испарении хладагента с помощью низкопотенциальных источников тепловой энергии

На стадии проектирования, исходя из условий (типа грунта, температурного режима и т.д.), инженеры выбирают жидкость, которая будет циркулировать внутри контура.

Этого достаточно для воздушного отопления и подготовки подогретой воды для нужд ГВС.

Преимущества и недостатки

Как уже говорилось, GHP — это реальная замена котлу на жидком топливе, а также электрическому отоплению. В табл. 1 приведены некоторые сравнительные характеристики.

Автономность работы геотермальной теплонасосной системы может быть обеспечена собственными источниками электроэнергии. Универсальность по отношению к виду первичной энергии — важнейшая особенность геотермальных тепловых насосов.

Можно замещать дефицитные виды энергии менее дефицитными. Сегодня наиболее перспективно использование электроэнергии, выработанной с помощью солнца и ветра.

При условии, что КПД системы от 350 % и нет необходимости закупать и транспортировать топливо, система окупается за 7-10 лет эксплуатации даже при нынешних ценах на энергоносители. Нужно учитывать, что, как любая теплонасосная система, GHP исключительно долговечна и служит 2025 лет.

Некоторые из производителей заявляют, что срок службы их оборудования достигает 50 лет. К тому же можно прогнозировать, что рост цен на энергоносители будет носить скачкообразный характер, поскольку природные запасы ресурсов стремительно сокращаются.

В этом свете важно, что стоимость эксплуатации GHP практически не будет зависеть от изменения цен на энергоносители.

GHP в России

Для геотермальных систем нет особенных ограничений по использованию в зависимости от климата. Они одинаково эффективно работают в любых климатических условиях, где есть источник низкопотенциального тепла.

В этих условиях геотермальный тепловой насос чуть ли не единственный способ эффективно отапливать и кондиционировать дом. Например, в Подмосковье есть множество коттеджных районов, где застройка остановилась на заключительной стадии в связи с невозможностью подведения достаточного количества электроэнергии.

Если в данном районе не предусмотрен другой вид отопления, кроме электрического, то стройка консервируется на долгие годы. В этих условиях GHP — спасение для хозяев. Крупных геотермальных проектов в России единицы — они носят в основном экспериментальный характер.

Такие проекты запущены пока только в Краснодарском крае, Ростовской области, Находке. Среди них жилые дома, развлекательные комплексы и гостиницы.

На Черноморском побережье расположена гостиница «Белая Русь» общей площадью 23 тыс. м2. С 1992 г. здесь работает система отопления, использующая на 100 % тепло Черного моря. Коэффициент преобразования этой системы 3,5.

Сейчас готовятся к реализации и другие подобные проекты. Среди них гостиничный комплекс площадью 16 тыс. м2 и аэропорт в Геленджике, расположенный в непосредственной близости от моря.

Подводя итоги, можно сказать, что геотермальные теплонасосные системы — энергоэффективное оборудование с высокой безопасностью и надежностью.

Источник: https://www.c-o-k.ru/articles/geotermal-nye-teplovye-nasosy

Геотермальные тепловые насосы — принцип работы альтернативных источников энергии

Современные отопительные устройства отличаются высокими показателями качества и функциональностью. Геотермальные тепловые насосы, имеющие довольно простой принцип работы, привлекают внимание потребителя своей эффективностью и неприхотливостью, так как идеально решают проблему отопления и кондиционирования.

Собирая тепло из земли (грунта), воды (грунтовых вод), геотермальный тепловой насос обеспечивает его передачу в системы отопления сооружений и зданий.

Принцип работы геотермальных тепловых насосов

Такой агрегат, использующий тепло земли, является экономически выгодным кондиционером в летнее время и отопительным прибором в зимнее. Средние температурные показатели грунта колеблются в диапазоне 4-12 градусов Цельсия, данная энергия является природным резервом использования низкопотенциальной теплоты.

В водоеме или непосредственно в грунте к тепловому насосу проводится зонд (трубопровод), по которому специальная морозостойкая жидкость циркулирует с целью сбора тепла.

Подобную систему вполне можно сравнить с рабочей средой стандартного холодильника с обратными функциональными задачами.

В тепловом геотермальном насосе один теплообменный аппарат (испаритель) утилизирует низкопотенциальную теплоту, другой теплообменный аппарат (конденсатор) выделяет тепло для обогрева и потребительских нужд.

Геотермальные тепловые насосы имеют ряд достоинств

Неоспоримые преимущества такого рода насосов обусловили их актуальность для разных регионов. Главными достоинствами оборудования считаются:

• Максимальная стабильность характеристик (КПД, тепловая мощность), которые не зависят от воздействия внешней среды (погодных условий, времени года). Это обусловлено тем, что температура грунта в скважинах не меняется – она постоянна;
• Высокие показатели КПД (400-500%), обеспечивающие высокую эффективность. На 1 кВт электрической энергии приходится 3-5 кВт мощности тепловой энергии;
• Щадящее отношение к окружающей среде и ландшафту при монтаже оборудования;
• Возможность компактного размещения. Скважины не требуют большой площади участка, нарушения целостности фасада и интерьера, у них не имеется наружных блоков;
• Большой эксплуатационный срок, долговечность. Заводские грунтовые зонды имеют срок эксплуатации порядка 100 лет. Компрессор, основной узел теплового насоса, который легко меняется, проработает 30 лет;
• Простота использования. Не требует повышенного внимания к себе;
• Универсальность применения оборудования – насос позволяет, и охлаждать, и нагревать необходимую площадь;
• Обеспечение максимального уровня комфорта в доме (низкотемпературное отопление – теплый пол), отсутствие шума;
• Минимум колебаний влажности и температуры;
• Освобождается территория, требующаяся для размещения узлов системы отопления;
• Двойной зонд в виде буквы «U» обеспечивает дублирование зондов в скважине, увеличенный съем тепловой энергии, малое гидравлическое сопротивление. Зонд будет надежно защищен от повреждений после того, как скважину заливают термо раствором;
• Экологическая чистота данных методов кондиционирования или обогрева. Нет выброса в атмосферу углекислого газа, вредных продуктов горения;
• Абсолютная пожаро- и взрывобезопасность. Для эксплуатации не требуется специальное оборудование;
• Использование небольшого количества электроэнергии, что дает низкие эксплуатационные затраты. К примеру, геотермальный тепловой насос (17 кВт) подходит для отопления жилого дома в 350 кв. м – потребление электричества составит до 5 кВт в час.
• Максимальная автономность и независимость, нет необходимости в газопроводе. Не возникает зависимости от поставок и цен на жидкое топливо или газ – насос работает от электричества.
• При использовании таких насосов не придется в срочном порядке освобождать лишнюю территорию для того чтобы поместить дымоход, котельную, специальное хранилище для топлива.

Виды подземных геотермальных тепловых насосов

Существует 4 разновидности коллекторов, которые являются успешными поставщиками тепловой энергии. Это подземные коллекторы следующих типов:

1. Горизонтальные тепловые насосы. Размещены горизонтально на глубине порядка 1,2 — 1, 5 метра – глубже уровня промерзания грунта. Когда земельная площадь позволяет проложить контур, этот способ получения энергии предпочитают использовать для жилых объектов.
2. Вертикальные тепловые насосы. Размещаются вертикально в специально пробуренных скважинах, глубина которых достигает 150 метров. Наиболее предпочтительный вариант, когда нет территориальной возможности для горизонтального размещения контура или ландшафтную зону нельзя нарушать.
3. Грунтовые водные. В данном случае вода, циркулирующая по системе геотермального теплового насоса, является теплообменной жидкостью. В конце процесса прохождения по всему контуру вода возвращается в грунт.
4. Водные тепловые насосы. Самый недорогой вид коллектора. Размещение предусматривается в любом типе водоема (река, озеро) – главное, чтобы глубина промерзания была выше глубины пролегания оборудования. Необходимо соблюсти требования относительно объема воды в водоеме и его размера.

Каждый из этих видов коллекторов можно считать достаточно актуальным в наше время. Выбор зависит от конкретных условий и возможностей эксплуатации.

Особенности эксплуатации тепловых насосов

Учитывая то, что геотермальные тепловые насосы являются разновидностью инновационного оборудования и требуют грамотного проектирования, важно доверять монтаж установки профессионалам, имеющим опыт работы с высокотехнологичными материалами.

Для того чтобы тепловой насос сохранял высокий КПД, необходимо иметь низкотемпературную систему отопления, к которой он будет подключаться.

Температура подачи не должна превышать отметку в 55 градусов (фанкойлы, теплые полы, специальные радиаторы, подстроенные на необходимую температуру).

Применение геотермальных насосов на территории России

Для многих районов Российской Федерации геотермальные тепловые насосы становятся самыми оптимальными средствами отопления и кондиционирования. Актуальными причинами использования данного оборудования в России можно считать следующие:

• Максимальность автономии;
• Экономичность;
• Горячая вода;
• Безопасность;
• Удобство и комфорт;
• Универсальность. Отопление – в холодное время года и кондиционирование – в жару;
• Отсутствие проблем с сервисным обслуживанием и наличием газопроводов.

Какие расходы требует установка и обслуживание тепловых насосов?

Тепловой насос в наше время стоит немало, однако значительная экономия средств позволяет со временем полностью окупить первоначальные затраты и начать экономить на отоплении.

Не стоит забывать и о расходах на потенциальный ремонт насосного оборудования, которые могут составлять приличную сумму.

Если говорить простым языком, то в общую стоимость обслуживания геотермального насоса входит:

• Бурение скважин под геотермальные зонды, содержащие экологически чистый пропиленгликоль, на глубину от 70 до 150 м;
• Монтаж/обвязка установки блока системы теплонасоса с автоматикой управления, отдельно стоящим или встроенным бойлером косвенного нагрева, имеющим высокую эффективность;
• Устанавливаются дополнительные модули управления бассейном – если есть потребность, то установка оборудуется добавочной емкостью;
• Модуль управления солнечными коллекторами, модуль системы охлаждения (кондиционирования).

(10 votes, average: 4,60

Источник: https://www.sciencedebate2008.com/geotermalnyye-teplovyye-nasosy/

Расчет эффективности применения тепловых насосов

Дата публикации: 10 октября 2015

Источник: https://alternativenergy.ru/energiya/983-avtonomnoe-teplosnabzhenie-fermerskogo-hozyaystva.html

Россия является крупнейшим в мире экспортером энергоресурсов и занимает лидирующее положение по запасам традиционных топливно-энергетических ресурсов, однако большая часть территории страны находится вне систем централизованного энергоснабжения. Как показывают приводимые ниже результаты анализа, применение теплового насоса (ТН) поможет решить проблему теплоснабжения обособленных хозяйств.

Типы коллекторов тепловых насосов

Тепловые насосы используют бесплатные и возобновляемые источники энергии: низко потенциальную теплоту воздуха, грунта, подземных вод и открытых незамерзающих водоемов, данный факт делает возможным их применение в фермерских хозяйствах, удаленных от сетей централизованного теплоснабжения. Для исследования эффективности применения ТН на территории России было выбрано 11 регионов, расположенных в районе городов Пскова, Санкт-Петербурга, Астрахани, Сочи, Красноярска, Читы, Якутска, Салехарда, Петропавловск-Камчатский, Владивостока, Екатеринбурга.

Существует большое разнообразие тепловых установок, в качестве источника первичной теплоты у которых может служить воздух, грунт или водоем. Использование тепловых насосов с различными типами коллекторов накладывает своего рода ограничения на их использование.

При использовании теплового насоса воздух-вода в районах с температурой наружного воздуха в зимние месяцы ниже -20°С, необходимо устанавливать дублирующий источник теплоты на более холодные месяцы.

Проанализировав показатели температуры воздуха наиболее холодной пятидневки по выбранным городам, получили, что только в двух регионах (вблизи городов Сочи и Петропавловск-Камчатский) температура воздуха не опускается ниже -20°С, что делает возможным использование воздушного теплового насоса для покрытия потребности в теплоснабжении частного дома в этих городах.

Условия применения ТН в России

Тепловой насос с грунтовым коллектором можно применять только в случае, если температура грунта на уровне прокладки коллектора не опускается ниже 0°С (то есть нет перехода грунта в мерзлое состояние (промерзание)), даже в зимний период времени.

Так в 9 городах (Псков, Санкт-Петербург, Астрахань, Сочи, Салехард, Петропавловск-Камчатский, Владивосток, Красноярск, Екатеринбург) из 11 проанализированных есть возможность прокладывать горизонтальный грунтовый теплообменник на глубине 1,6 м, так как глубина промерзания почв расположена выше этой величины.

Россия – территория с наибольшим распространением вечной мерзлоты. В зоне многолетне-мерзлых грунтов находится более 60% территории страны; в основном это территория Средней и Восточной Сибири и северной части Дальнего Востока.

На вечной мерзлоте стоят Магадан, Анадырь, Якутск, Мирный, Норильск, Игарка, Надым, Воркута, на границах с Читой также имеются острова вечной мерзлоты.

Город Якутск расположен в районе вечной мерзлоты, грунт промерзает на достаточно большую глубину, что делает невозможным использование тепловой системы с горизонтальным коллектором в районах с вечной мерзлой и, в частности, в Якутске.

Читинская область имеет часть территории в районе вечной мерзлоты, где глубина промерзания почвы превышает 3,2 метра, что делает также нецелесообразным применение установки с горизонтальным коллектором в Читинской области в качестве источника теплоты для обогрева помещении.

На Российском рынке представлены тепловые насосы зарубежных производителей, так как отечественный рынок теплонаносной техники только формируется. Наиболее дешевыми производителями ТН являются такие страны как Китай, Чехия и США.

Тепловые установки, производимые в Германии и Швеции, являются наиболее дорогими.

По проведенным расчетам, стоимость 1 кВт тепловой геотермальной установки у зарубежных производителей составляет 19 996 рублей, стоимость воздушной тепловой установки незначительно превышает данную сумму и составляет 20 505 рублей.

Результаты расчётов эффективности ТН

Сравнение затрат на установку геотермальных и воздушных коллекторов с учетом затрат на транспортировку, монтаж и наладочные работы показывает, что тепловой насос с вертикальным расположением грунтового контура является наиболее дорогостоящим — 102 279 руб.

на 1 кВт мощности оборудования, далее следует тепловой насос с горизонтальным расположением грунтового контура — 79 674 рублей.

Наиболее дешевой является воздушная теплоустановка с 44 383 рублей за 1 кВт, так как в качестве источника теплоты используется наружный воздух и не требуются дополнительные затраты на раскопку траншей, поэтому стоимость ТН снижается и определяется только ценой самого насоса и монтажных работ.

Срок окупаемости (СО) ТН прямо пропорционален капитальным затратам на его установку и обратно пропорционален экономии денежных средств, которая равна затратам на отопление. Тарифы на тепловую энергию в городах России сильно отличаются, так цена 1 Гкал энергии в Санкт-Петербурге составляет 1050 руб., а в г. Петропавловск-Камчатский — 3580 руб. (т.е тарифы разнятся в 3 раза).

Минимальный срок окупаемости в Петропавловск-Камчатском для геотермального насоса с горизонтальным контуром составляет 7 лет, для тепловой установки с вертикальным коллектором – 9 лет, далее следуют Якутск (СОвер. = 13 лет)) и Красноярск (СОгор. = 15 лет, СОвер. = 22 года).

Максимальный срок окупаемости тепловых установок в Санкт-Петербурге (СОгор. = 34 года, СОвер. = 47 лет) и Пскове (СОгор.= 33 года, СОвер. = 46 лет), Сочи (СОгор. = 31 год, СОвер. = 41 год).

Отопление с помощью воздушных тепловых насосов возможно только в двух городах из одиннадцати рассмотренных, а именно в Сочи и в Петропавловск-Камчатском, сроки окупаемости тепловых установок в этих городах составляют 10 лет и 2 года соответственно.

В таблице ниже представлены расчеты денежных затрат (ДЗ) на теплоснабжение в течение 25 лет с использованием различных источников тепловой энергии: централизованного теплоснабжения (ДЗЦТС); электрического, твердотопливного и дизельного котла (ДЗЭК, ДЗТТ, ДЗДТ), воздушного теплового насоса (ДЗТН.

В), ТН с горизонтальным и вертикальным коллектором (ДЗТН.Г, ДЗТН.U).

У большинства из рассмотренных городов срок окупаемости тепловой установки меньше срока ее эксплуатации (25 лет). Это позволяет получить прибыль от 171 126 руб. (Астрахань, при использовании тепловой установки с горизонтальным коллектором) до 2 992 380 руб. (Петропавловск-Камчатский, при использовании воздушного теплового коллектора) за 25 лет использования ТН.

В климатических условиях Санкт-Петербурга и Пскова ни один из видов тепловых насосов не окупается. В данном случае следует рассмотреть варианты теплоснабжения с помощью других источников энергии. Из таблицы выше видно, что в Санкт-Петербурге тепловой насос с горизонтальным коллектором недоокупится на 285 653 руб. и на 720 706 руб.

с вертикальным коллектором.

При сравнении с другими источниками тепловой энергии получается, что использование ТН, даже если срок их окупаемости больше срока эксплуатации, является экономически выгоднее, так как затраты за 25 лет (недоокупаемость) при этом будут меньше затрат на теплоснабжение дома при использовании других установок за этот же период.

Результаты расчета эффективности применения тепловых насосов, выполненные с учетом температурных ограничений (температура наружного воздуха tн ⩾ -20 °C и температура грунта tг > 0°C) и срока эксплуатации тепловых насосов (25 лет), показывают целесообразность и эффективность их применения на территории России.

Е.А. Муравлева

Источник: https://altenergiya.ru/termal/effektivnost-primeneniya-teplovyx-nasosov.html

Как нагреть воду в бассейне? – при помощи насоса!

Тепловой насос — прибор для получения энергии из воздуха, грунта или воды. Если применять тепловой насос для бассейна, то расходы на обогрев жидкости значительно сократятся.

Но важно правильно подобрать подходящую модель устройства и грамотно его установить.

Консультанты сайта «Сантехник Портал» расскажут, как выбрать тепловой нагреватель для бассейна, принцип работы системы, правила монтажа и эксплуатации.

Конструкция и принцип работы

Частицы тепловой энергии есть во всех предметах, даже в тех, которые считаются холодными. Просто в них тепло обладает низким потенциалом. Насосные системы с подогревом позволяют вытянуть тепловую энергию из окружающей среды и превратить в тепло с высоким потенциалом. Тогда его можно применять для нагрева.

Обогрев бассейна в зимний период при помощи теплового насоса – это удобный вариант. На агрегате устанавливается требуемая температура, а также время включения и время для нагрева. В результате, вода не перегревается и не остынет, а будет всегда комфортной температуры.

Тепловой насос функционирует по принципу Карно, как и холодильное оборудование. Но если холодильник выводит тепловую энергию из камеры наружу, чтобы охладить пространство внутри, то насос с подогревом работает наоборот. Он захватывает тепловую энергию снаружи, и отдает ее для прогрева жидкости.

Данная система состоит из двух основных частей — наружной и внутренней, между которыми расположен компрессор и испаритель. Жидкость движется по системе трубопровода, который находится снаружи. При этом она поглощает энергию из воздуха, земли или воды, в зависимости от типа насоса.

Затем фреон остывает и снова переходит в жидкое состояние, а собранное им тепло передается во внутреннюю систему обогрева, то есть в бассейн или систему отопления здания. Цикл многократно повторяется.

Применение полностью автоматизированной системы подогрева бассейна позволит не только греть жидкость в резервуаре, но и отапливать дом.

Внимание! При расходе 2,5 кВт мощности тепловой насос вырабатывает 10 кВт тепловой энергии.

Конечно, тепловые насосы для бассейнов потребляют некоторую электроэнергию в ходе своей работы, однако количество потребляемого ресурса в 3-5 раз меньше, чем при обогреве электрическими водонагревателями напрямую.

Преимущества и недостатки

Как и у каждого технического устройства, у системы подогрева воды в бассейне тоже есть свои плюсы и минусы.

Достоинства теплового насоса:

1. Экологически безопасен, так как не выбрасывает в окружающую среду вредные вещества.
2. Не взрывоопасен.
3. Не требует проведения дополнительных коммуникаций. Работает от электросети.
4. Значительно экономит расход электроэнергии на обогрев бассейна.
5. Несмотря на повышенную производительность уровень шума достаточно низкий.

Единственный минус теплового нагревателя для бассейна – высокая стоимость. Цена агрегата зависит от объема чаши, выходной мощности и типа бассейна – закрытый или открытый.

Разновидности тепловых насосов

Конструктивные особенности теплового нагревателя для бассейна делают данный прибор более стойким к влиянию повышенной влажности, чем любую другую систему нагрева жидкости. Но необходимо грамотно подобрать тип теплового оборудования с учетом источника тепловой энергии с низким потенциалом.

• Земля-вода. Чем более стабильна температура среды, тем более эффективно работает прибор обогрева. В этом отношении земля является лучшим источником, однако практическое воплощение требует соблюдения списка не самых простых условий.

Потребуется просторный земельный участок и сложные земляные работы. Трубы, по которым циркулирует теплоноситель, придется располагать в толще грунта, что иногда сделать невозможно или проблематично. Поэтому тепловые насосы для бассейна типа «земля-вода» применяются лишь в редких случаях.

• Вода-вода. Систему с водяным тепловым насосом сконструировать немного легче, так как в качестве источника энергии с низким потенциалом используется вода. Наилучший расклад, если рядом есть естественный водоем: пруд, озеро, река и т.п.

Однако близкое расположение к таким водным ресурсам имеется не у каждого земельного участка. Тогда необходимо хотя бы наличие колодца или скважины, в которую можно будет опустить трубы.

• Воздух-вода. Меньше сил и времени требует монтаж теплового насоса, который поглощает энергию в воздушных массах. Чтобы создать интенсивный воздушный обмен, применяются мощные вентиляторы. При это не нужно бурить скважину или прокладывать трубы в грунте.

Эффективность обогрева воздушным тепловым насосом немного ниже, чем при использовании более стабильных источников энергии таких, как земля или вода. Но для применения в дачный сезон, с весны до осени, воздушный агрегат подходит идеально.

Тепловой насосный водонагреватель можно использовать совместно с другими отопительными системами, к примеру, с электрическим или газовым подогревом. Комбинированный обогрев особенно актуален в областях с суровыми климатическим условиями, так как при температуре воздуха ниже -20 ºС эффективность теплового оборудования существенно снижается.

Как вычислить тепловые потери бассейна?

Чтобы правильно подобрать тепловой агрегат по мощности, следует рассчитать тепловые потери бассейна, в котором будет установлен насос. В этом случае необходимо учесть:

• место расположения водной конструкции;
• наличие укрепления и степень надежности сооружения;
• объем купального резервуара;
• начальную температуру жидкости;
• комфортную температуру воды для плавания;
• наличие дополнительных факторов, которые могут повлиять на изменение температуры водного ресурса: обогрев помещения, кондиционирование и т.д.

Чтобы вычислить тепловые потери бассейна, специалисты используют метод, изложенный в ДБН В.2.5-67: 2013:

Мощность насосного оборудования должна превышать потери тепла на 30%.

При проведении расчетов учитывается еще масса факторов, поэтому вычисления лучше поручить профессионалу.

Важно! Для крытого бассейна оптимальной считается температура воздуха 28 ºС, а температура воды — 24 ºС.

При выборе насоса с подогревом пригодится также информация о мощности теплообменника прибора. Данный показатель указывает на расход тепловой энергии для подогрева жидкости в бассейне за определенный промежуток времени.

В упрощенном виде формула может выглядеть как:

P = 1.16 Х ΔT/t Х V (кВт), где:

1,16 – поправочный коэффициент тепловых потерь; ΔT – количество градусов, разделяющее начальный и конечный показатель температуры воды в бассейне, ºС; t – время работы устройства до тех пор, пока не будет достигнута необходимая температура воды, час; V – объем купальной чаши, куб. м.

Данная формула не учитывает перечня таких факторов, как влияние отопления в здании крытого бассейна, наличие утепления и системы кондиционирования воздуха и т.д. Однако при подборе оптимальной модели насоса для обогрева такие вычисления могут быть очень полезными.

Что выгоднее – газовый котел или тепловой насос?

Монтаж теплого оборудования для бассейна характеризуется высокой экономичностью, с которой не может сравниться ни одна из существующих тепловых станций. При сопоставлении газового котла и теплового насоса, можно отметить следующее:

1. Зависимость от атмосферных условий. Воздушный обогревающий прибор способен нагреть бассейн при температуре до -15°С. При этом, эффективность обогрева заметно снижается после достижения этой границы. Поэтому большая часть агрегатов типа «воздух-вода», оборудуются электрическим тэном, чтобы компенсировать недостаток в тепловой энергии. Геотермальные устройства, как и газовые котлы, функционируют при любой температуре окружающей среды.
2. Экономичность – в этом отношении наносное оборудование с функцией обогрева конкуренции не имеет. Максимальная теплоотдача газового конденсационного котла оставляет 95-105%. На практике это значит, что каждый киловатт выработанной энергии, при сжигании газа, дал 0,95-1,05 кВт тепла. Коэффициент теплоотдачи насосов составляет 5-8 единиц, то есть каждый кВт затраченной электроэнергии, производит 5-8 кВт тепла!
3. Возможность всесезонного применения. Если насосы воздушного типа способны функционировать только при температуре до -18°С, то геотермальное оборудование работает и при -32°С. Газовый котел также хорошо функционирует при любых погодных изменениях.

В станах ЕС тепловые насосы в качестве альтернативных способов обогрева используются давно. Такие агрегаты можно применять для эффективного нагрева любых помещений, воды для бытовых и хозяйственных нужд, а также для бассейнов открытого и закрытого типов.

Как выбрать насос с подогревом?

Выбирая оптимальный насос теплового типа, чтобы организовать отопление бассейна, необходимо ориентироваться не только на мощность оборудования. Пристальное внимание удаляется и другим факторам:

1. Размер. Место монтажа, как правило, выбирается заранее. Нужно убедиться, что выбранная модель подойдет по размеру в отведенное место, при этом останется свободное для обслуживания агрегата.
2. Температура воздуха. Чем меньше перепад температур между воздухом снаружи и водой в бассейне, тем выше производительность и эффективность обогревающего прибора.
3. Шумность. Во время работы устройство вибрирует и производит шум. Перед приобретением аппарата необходимо оценить уровень шума, который издают разные модели данного оборудования.
4. Доступность запчастей. Если при поломке нужных для ремонта деталей нет в наличии поблизости, то их придется специально заказывать, оплачивать доставку и т.д. Поэтому нужно заранее предусмотреть наличие запасных частей в ближайших магазинах.
5. Наличие автоматики. Автоматическое управление отдельных разновидностей насосов с обогревом позволяет изменять работу прибора с учетом разных показателей: наружной температуры, темпов остывания жидкости в бассейне, способности помещения сохранять тепло.

Наличие автоматики значительно повышает стоимость оборудования. Но если есть финансовые возможности, то от этого дополнения отказываться не стоит. Блок автоматического управления не повышает комфорт пользования агрегатом, но и увеличивает срок его службы.

При этом на ценообразование больше всего влияет производительность насоса. Так, аппарат Zodiac, с мощностью 90 кВт, обойдется более чем в 3 млн. руб. Такой промышленный прибор окупится через 7-10 лет. Бюджетные тепловые установки стоят в несколько раз меньше. У той же компании, 5 кВт прибор оценивается всего в 97 000 руб., а аналог – Azuro в 70 000 руб.

Особенности установки системы подогрева бассейна

Подогрев бассейна тепловым насосом необходимо правильно и четко организовать. Порядок подключения оборудования зависит от особенностей конкретной модели.

Поэтому перед началом работ необходимо внимательно изучить инструкцию и точно соблюсти изложенные в ней требования и рекомендации.

Промышленные агрегаты поставляются уже в собранном виде и с набором требуемых для монтажа комплектующих.

В ходе подключения потребуется установить несколько труб и обеспечить электропитание. В систему обслуживания бассейна нагреватель устанавливается таким образом, чтобы он располагался после системы фильтрации и перед хлоратором.

Место для монтажа нагревательного прибора должно соответствовать следующим требованиям:

• хорошая вентиляция;
• отсутствие препятствия для циркуляции воздуха;
• удаленность от открытого огня и других источников тепла;
• защита от воздействия внешних факторов окружающей среды: осадки, падающий сверху мусор;
• доступность для технического обслуживания и необходимого ремонта.

Обычно прибор устанавливают под навесом, оборудую боковые стены для дополнительной защиты, однако они не должны создавать препятствия воздушному потоку вентилятора.

Приспособление крепится к металлической раме, основание должно быть строго горизонтальным. Это позволит минимизировать такие проблемы как вибрация и шум при работе агрегата, а также защитит прибор от поломок.

При установке и подключении насосной станции к системе следует убедиться, что все его элементы чистые. Не лишней будет проверка внутренней поверхности труб, при помощи которых осуществляется подключение. Все участки соединения трубопровода, по которому циркулирует вода, должны быть тщательно герметизированы и проверены на наличие протечек.

Особого внимания потребует обеспечение электропитания агрегата. Оно должно полностью соответствовать правилам монтажа электрического оборудования с учетом всех требований пожарной безопасности.

Рядом с бассейном обычно сохраняется высокий уровень влажности, и вероятность контакта электрооборудования с водой существенно возрастает. Поэтому необходимо тщательно заизолировать все места электрических контактов, дополнительно защитив их от возможного контакта с влагой.

В схему подключения теплового насоса к электропитанию в обязательном порядке необходимо включить автоматические выключатели, которые снабжены датчиками, реагирующими на повышение температуры. Понадобятся также устройства защиты, которые предотвратят утечку тока. Все токопроводящие узлы следует в обязательном порядке заземлить.

Для подключения кабелей, как силовых, так и контрольных, понадобятся специальные клеммники. В инструкции производителя обычно указано требуемое сечение электрических кабелей, через которые можно выполнять подключение оборудования к электропитанию. Этих данных необходимо придерживаться. Сечение кабеля может быть больше рекомендованного, но никак не меньше.

Как сделать тепловой насос своими руками?

Если цена заводской модели теплового насоса покажется слишком высокой, его можно собрать своими руками, но эффективность таких приборов несколько ниже, чем у разновидностей промышленного производства.

Для изготовления теплого насоса типа «земля-вода» сначала собирают отдельные элементы, затем их соединяют в общую систему.

Для сборки самодельного нагревателя для бассейна вам потребуется:

• медная полая трубка;
• полипропиленовая емкость;
• металлическая бочка или бак;
• компрессор сплит-системы;
• сливной и стравливающий кран;
• предохранительный клапан, хомуты.

Процесс сборки теплового насоса своими руками:

1. На место, где будет установлен компрессор, необходимо прикрепить держатели под него.
2. Металлические полые трубки обмотать вокруг цилиндра. Создать змеевик, витки должны быть одинаковыми.
3. Понадобится металлическая емкость из двух одинаковых половинок. В одну часть поместить змеевик. Части спаять. В емкости проделать резьбовые отверстия для выходных трубок змеевика.
4. Установить пластиковую бочку, которая будет испарителем. В бочку завести трубы внутреннего контура.
5. Для вывода воды в бассейн используются пластиковые трубы.
6. Соединить все элементы в одну систему.
7. Заполнить конструкцию фреоном.

Намного сложнее обустроить систему типа «вода-вода». Для ее создания необходимо наличие вблизи с участка естественного водоема или скважины. Данный вариант применяется в тех случаях, когда по техническим причинам невозможно получать энергию из воздуха.

Тепловой насос для бассейна — эффективный и экологический способ нагрева воды в резервуаре в любое время года. При грамотном обустройстве системы и ее эксплуатации в соответствии с рекомендациями santehnikportal.ru, стоимость оборудования окупится уже через 2-3 лет.

Правильный монтаж устройства значительно увеличит период службы агрегата. Чтобы снизить траты, можно соорудить воздушный нагреватель для бассейна своими руками, однако его производительность будет намного меньше промышленных моделей.

Источник: https://santehnikportal.ru/vodosnabzhenie/teplovoj-nasos-bassein.html

Использование тепловых насосов в мире – статистика, тенденции, перспективы

Использование низкопотенциального тепла из получение тепловой энергии из альтернативных источников – перспективное направление современной энергетики. Использование тепловых насосов в мире неуклонно растет, как и области применения тепловых насосов.

В этой статье мы рассмотрим общие тенденции в мире и практику применения в отдельных странах. Периодически информация будет обновляться.

Статистика использования тепловых насосов в мире

Теплонасосные технологии известны более 150 лет, но широкое распространение они получили только в последние десятилетия. Основными предпосылками для этого являются:

• Перспективность возобновляемых источников энергии
• Повышение стоимости традиционных теплоносителей
• Борьба с загрязнением окружающей среды
• Повышение эффективности тепловых насосов
• Отсутствие негативного воздействия на окружающую среду

Для индивидуального использования наибольшей популярностью пользуются воздушные тепловые насосы благодаря низкой стоимости. Но в промышленных условиях широко распространены геотермальные тепловые насосы.

В странах, окруженных морями, для централизованного отопления создают теплонасосные станции мощностью в десятки и сотни киловатт.

Из графика выше видно, что уровень продаж тепловых насосов неуклонно растет. По объемам производства установок лидируют США и Китай. Первые – благодаря качеству продукции, вторые – из-за низкой стоимости.

Типы тепловых насосов и их популярность

Есть три основных типа теплонасосных установок:

• Воздушные;
• Водяные;
• Геотермальные (грунтовые).

Воздушные

Эти тепловые насосы популярны ввиду низкой стоимости, но их КПД зависит от температуры воздуха снаружи здания. Установки типа воздух-воздух используются для отопления помещений, а воздух-вода – для отопления и/или ГВС.

Низкая стоимость привела к их широкому применению в жилых домах, владельцы которых редко рассчитывают на долгосрочную перспективу. Они часто используются как вспомогательный источник тепла.

Водяные

Тепловые насосы типа вода-вода или вода-воздух нагревают, соответственно, воду или воздух. Они более эффективны чем воздушные, но для их установки нужен водоем. Стоимость монтажа при этом существенно выше, чем воздушного, но ниже чем геотермального теплового насоса.

В основном используются водяные теплонасосы большой мощности, которые устанавливаются в морях и обеспечивают теплом прибрежные регионы. Реже их устанавливают владельцы частного жилья, многокваритных и промышленных зданий.

Геотермальные (грунтовые)

Монтаж таких установок наиболее дорогой из-за необходимости укладки геотермального поля или бурения скважин. Основною их плюс – устанавливать геотермальный насос можно практически в любой местности.

Высокий КПД грунтовых тепловых насосов позволяет использовать низкопотенциальное тепло земли для отопления строений любого типа. Но высокая стоимость приводит к тому, что их чаще устанавливают владельцы жилья большой площади, либо промышленных и производственных зданий.

Укладка геотермального поля существенно удорожает стоимость монтажа геотермального теплового насоса.

Особенности использования тепловых насосов в разных странах

Во всем мире реализуются различные программы для поддержки производителей и внедрения теплонасосных технологий.

Госпрограмма в США

В Соединенных Штатах правительство обязало строительные компании устанавливать тепловые насосы в каждой новостройке. Благодаря этому в стране выпускается более 1 млн. установок ежегодно.

Источник: https://VTeple.xyz/ispolzovanie-teplovyih-nasosov-v-mire/