Тепловий насос / частина 2 - джерело тепла

Температура джерела тепла має вирішальне значення для продуктивності та ефективності теплового насосу . Тому при  виборі типу обладнання дуже важливим є грамотне проектування усієї системи теплопостачання. Саме проектування потрібне для правильного визначення потужності теплового насосу та температурних режимів роботи.  Саме проектування дозволяє провести розрахунок тепловтрат будівлі, потреби у теплі / холоді та гарячому водопостачанні.

Якщо плануєте встановити геотермальний тепловий насос, то окрім проектування інженерних мереж потрібно ще зробити обстеження земельної ділянки для визначення типу грунту , його теплоємності , геологічних особливостей та можливості розташування ґрунтових зондів чи колекторів. При використанні води в якості джерела тепла - обов'язково провести хімічний аналіз води. Всі ці фактори повинні бути враховані при проектуванні систем теплопостачання на основі теплових насосів.

Грунт як джерело тепла для теплового насосу

Ґрунт акумулює сонячне випромінювання, що потрапляє на його поверхню, а також отримує тепло від земного ядра. Ґрунт характеризує стабільна температура , яка на певній глибині майже не залежна від погоди. На глибині 5 -7 метрів температура ґрунту майже стала протягом всього року і варіюється в межах 10 - 12С.

Важливий показник - це теплоємність грунту. Теплоємність залежить від таких факторі як- типу грунту , геологічного складу, вологості. Чим вища вологість - тим більше тепла можна отримати. Вологий глиняний ґрунт буде мати найкращі теплові характеристики , а грунт з  великим вмістом піску значно зменшить кількість відібраного тепла.

Методи відбору енергії з ґрунту:

Первинний контур геотермального теплового насосу може бути виконаний у вигляді грунтового колектору , який розташовується на глибині 1,2 - 1,5 м. Саме на такій глибині фіксується стабільна температура протягом усього календарного року. Тепловіддача залежить від типу грунту та коливається в межах 10 - 35 Вт/м2. Зверніть увагу, щоб здійснити монтаж грунтового колектора потрібна достатньо велика площа земельної ділянки.  Влаштування грунтового колектору потребує досить значної площі земельної ділянки. Крім горизонтального колектору може використовуватись також вертикальний колектор , який займає меншу площу , але вимагає більшого об'єму земляних робіт , що в свою чергу може привести до здорожчання геотермальної системи.

Одним з різновидів вертикального колектора є енергетичні корзини , що дозволяють збільшити відбір тепла з одиниці площі та забезпечити компактність. На жаль, поки в Україні даний вид колекторів не дуже популярний.

Планування ґрунтового колектора

При плануванні системи ґрунтового колектора необхідно дотримуватись гідравлічного балансу, тобто всі контури повинні мати однакову довжину. Рекомендується використовувати контури, довжина яких не перевищує 100 метрів, щоб уникнути зайвого споживання енергії циркуляційними насосами.

Ділянка, на якій розташований ґрунтовий колектор, повинна мати мінімальну забудову та тінь, щоб забезпечити повноцінне відновлення системи протягом теплих місяців року. Важливо уникати висадження дерев з розвиненою системою коріння над колектором, щоб не пошкодити самі колектори. Завдяки сонячному випромінюванню та опадам забезпечується повна регенерація ґрунту для ефективного накопичення тепла на опалювальний сезон.

Ґрунтові колектори можуть бути виготовлені з поліетиленових труб різних діаметрів. Також на ринку присутні готові модулі, що складаються з передмонтованих трубних секцій.

Вертикальный грунтовый зонд

В даному випадку тепловий насос працює зі стабільною продуктивністю та високою ефективністю протягом усього року. Зонди опускаються на глибину від 40 до 120 метрів.

За один метр свердловини можна отримати від 30 до 70 Вт тепла. Середнє значення складає 50 Вт, яке в основному використовується для розрахунку загальної довжини геотермальних зондів. Правильний розрахунок кількості свердловин та їх глибини є надзвичайно важливим при проектуванні системи опалення з використанням теплових насосів. Недостатня довжина грунтових зондів може призвести до зниження продуктивності теплового насосу, замерзання свердловин і, в результаті, недостатнього нагріву об'єкту.

Для вилучення тепла використовуються зонди, які виготовляються з поліетиленових труб. Зонди можуть бути дво- або чотирипровідними. Використовуються труби з діаметром 25, 32 або 40 мм з різною товщиною стінки.

При облаштуванні геотермальних свердловин слід приділяти особливу увагу якості та надійності грунтових зондів, оскільки після монтажу їх витягнути та провести ремонт буде неможливо. Грунтові зонди повинні прослужити тривалий термін, який перевищує період експлуатації самого теплового насосу. Рекомендується використовувати заводські зонди, які мають чіткі гарантійні умови.

Свердловини з розміщеними в них грунтовими зондами повинні бути заповнені фіксуючим терморозчином, який має визначені параметри теплопровідності. Крім того, цей розчин забезпечує захист зондів від механічних пошкоджень.

При плануванні розташування земляних зондів необхідно дотримуватись мінімальних відстаней між свердловинами, зазвичай вони становлять 5-6 метрів. Також заборонено висаджувати дерева з глибокою кореневою системою на місцях розташування геотермальних зондів, оскільки це може призвести до пошкодження зондів.

В якості теплоносія для грунтових зондів застосовуються незамерзаючі розчини, наприклад, на основі етиленгліколю (температура замерзання становить -15ºC). Незамерзаючі розчини обов'язково повинні бути екологічно нейтральними, оскільки в разі аварії або витоку можливе забруднення грунтових вод та значної прилеглої території.

Підземні ґрунтові води є ефективним джерелом первинного тепла для роботи теплових насосів. Температура ґрунтової води залишається стабільною протягом року і зазвичай коливається в межах 7ºC-12ºC. Схема використання енергії води включає дві свердловини: "верхню" свердловину, що забезпечує подачу води на теплообмінник водо-водяного теплового насосу для передачі тепла, та "нижню" свердловину, що приймає охолоджену тепловим насосом воду.

Поверхневі ґрунтові води також можуть використовуватись як джерело тепла. Проте, при проектуванні такої схеми необхідно враховувати значні коливання температури води залежно від пори року.

Важливим елементом планування системи вода/вода є проведення хімічного аналізу води. У багатьох випадках якість води не відповідає вимогам для безпосередньої роботи з високоефективними теплообмінниками теплових насосів. У такому разі рекомендується встановлення проміжного теплообмінника, який відповідає конкретним умовам експлуатації та захищає тепловий насос. Наприклад, компанія Waterkotte пропонує повний асортимент теплообмінників з нержавіючої сталі з мідним або нікелевим припоєм для води різної якості.

При плануванні вода-вода системи необхідно провести геологічне дослідження ділянки, щоб забезпечити відповідність обсягам перекачуваної води обох свердловин. Для отримання 1 кВт

Джерело тепла - навколишнє повітря

Використання повітря як джерела тепла у теплових насосах є економічно вигідним, оскільки потребує найменших капітальних витрат. У такій системі зовнішній блок містить теплообмінник і вентилятор, який подає повітря на випарник. Випарник відбирає тепло з повітря, охолоджує його, а потім повітря повертається назад до навколишнього середовища. Сучасні технології дозволяють експлуатувати повітряні теплові насоси при зовнішній температурі до -25ºC.

Для роботи в низьких температурах теплові насоси можуть бути обладнані додатковим електричним нагрівачем або можуть працювати у системі з додатковим теплогенератором, наприклад, дров'яним каміном з водяним контуром. Застосовуючи повітряні теплові насоси для опалення пасивних та енергоефективних будинків, можна повністю забезпечити нагрів лише за рахунок цих насосів. Навіть при низьких зовнішніх температурах такі будинки потребують незначну кількість додаткового тепла.

Наведений моніторинг мінімальних температур зимового періоду 2012/2013 року в місті Київ служить прикладом, що показує можливість ефективної роботи повітряних теплових насосів навіть у довгий та аномально холодний період.

Важливим фактором, який необхідно враховувати при плануванні повітряних теплових насосів, є звукові характеристики. Від шумових характеристик буде залежати комфорт проживання поруч з тепловими насосами повітря/вода.

Повітряні насоси моноблочного типу з потужністю 8-12 кВт стали дуже популярними в останні роки. Вони мають спрощену конструкцію, де холодильний та гідравлічний контури розташовані в зовнішньому блоку, тоді як в приміщенні потрібно лише провести трубопроводи системи опалення і встановити регулятор управління або гідравлічну станцію. Основні переваги таких насосів полягають у їхній нижчій вартості, простоті встановлення та відсутності необхідності проводити роботи з холодильним контуром, що використовує фреон.

Оптимальним рішенням для використання повітряних теплових насосів є режим роботи в бівалентному режимі, що передбачає поєднання з іншим джерелом тепла, таким як газовий або пелетний котел, дров'яний або пелетний камін з водяним контуром. При такій схемі 70-90% теплового навантаження може бути забезпечено повітряним тепловим насосом, і лише при дуже низьких температурах буде включатися додатковий теплогенератор. Це дозволяє забезпечити ефективне опалення будинку за допомогою повітряного насосу при більшості погодних умов, а додаткове джерело тепла використовується лише в екстремальних ситуаціях.

Джерело тепла - сонячна енергія + фазовий перехід: вода-лід

Використання тепла фазового переходу речовин, зокрема переходу води в лід або використання парафіну, є нестандартним рішенням для використання теплових насосів. У таких системах основним елементом є "льодяний бак" або "тепловий резервуар".

"Льодяний бак" зазвичай представляє собою велику бетонну ємкість, яка заповнена водою. Нагрівання баку здійснюється за допомогою геліоколекторів, таких як повітряні абсорбери або геліотермічні колектори, а також частково за рахунок тепла з ґрунту. Для передачі сонячного тепла до води в баку по периметру облаштовується система трубопроводів. Така система дозволяє використовувати нагріту воду як джерело тепла для теплового насосу.

Додатково, відбір тепла здійснюється за допомогою геотермального колектору, який зазвичай складається з поліетиленових труб і розміщується всередині баку. Цей колектор дозволяє використовувати тепло, що накопичується у грунті, для подальшого використання в системі теплового насосу.

Використання тепла фазового переходу речовин може бути ефективним рішенням, але вимагає уважного проектування і розрахунку системи. Важливо врахувати вплив зовнішніх факторів, таких як сонячна радіація і ґрунтова температура, на ефективність системи. Також потрібно забезпечити відповідну ізоляцію баку та врахувати особливості роботи з тепловим насосом у такій конфігурації.

Дійсно, теплові насоси можуть використовувати різні джерела тепла, включаючи технологічні процеси, які супроводжуються виділенням тепла. Це відкриває широкі можливості для утилізації тепла та підвищення ефективності системи.

Один з нестандартних варіантів - використання тепла, яке супроводжує процес утворення льоду. Під час замерзання вода віддає певну кількість теплоти, яка може бути використана для опалення. Цей процес може бути використаний для створення "льодяного баку", де вода циклічно замерзає та розморожується. Тепло, яке виділяється при замерзанні, може бути використане тепловим насосом для опалення будинку.

Крім того, існують інші технологічні процеси, які супроводжуються виділенням тепла, яке може бути утилізовано тепловим насосом. Наприклад, стічні води, вентиляційне повітря або тепло, що виділяється при роботі серверів в дата-центрах, можуть бути використані як джерела тепла для системи теплового насоса. При таких проектах важливо ретельно планувати систему, враховуючи характеристики джерела тепла та необхідні теплообмінники для оптимального використання теплового потенціалу.

Утилізація тепла з технологічних процесів є важливим напрямком розвитку теплових насосів і відкриває нові можливості для енергоефективного опалення та охолодження. Кожен проект використання нестандартних джерел тепла вимагає індивідуального підходу, проектування та врахування специфічних умов і потреб системи.