Согревающий холод: теплонасосы

Сегодня, говоря о способах отопления, все чаще упоминают о теплонасосах. Еще недавно об этом виде отопительного оборудования мало кто знал в нашем отечестве, а в странах Европы теплом, «отобранным у холода» обогреваются не один десяток лет.

Как бы парадоксально это не звучало, но именно на принципе аккумулирования тепла улицы основана работа теплонасосного оборудования. Для того чтобы лучше понять, как устроен теплонасос, необходимо представить себе холодильник, встроенный в стену дома таким образом, чтобы его задняя часть (сетка радиатора) оказалась внутри помещения, а холодильная камера с открытой дверцей выходила наружу. Конечно, холодильник не предназначен для таких манипуляций, однако и его радиатор будет отдавать тепло помещению, притом, что температура на улице будет гораздо ниже, чем в самом помещении.

Почему так происходит? Все дело в хладагенте, в данном случае речь идет о фреоне, который циркулирует в системе холодильника.

Если мы купим подтаявшее мороженое и поместим его в морозильную камеру обычного холодильника, то у него будет отобрано тепло и выведено наружу, через радиаторную сетку в помещение. Именно поэтому в маленьких магазинах, где много холодильников, тепло даже зимой.

Проведя аналогию с простым холодильником, легко убедиться в том, что из холода можно сделать тепло, хотя это определение является условным и не совсем точным с точки зрения физики, но, в качестве примера, мы можем себе это позволить. Принцип теплонасосов практически ничем не отличается от принципа холодильника, за исключением того, что их цели прямо противоположны.

Теплонасосы, как и холодильники, функционируют исключительно за счет циркуляции хладагента в системе теплообмена, которая происходит за счет работы компрессора или насоса. Для того чтобы обогревать жилое помещение с помощью теплонасосного оборудования необходимо создать наружный контур, через который будет аккумулироваться тепло и в «концентрированном» виде подаваться в дом для подогрева теплоносителей и горячего водоснабжения.

Большое значение при выборе теплонасосной системы имеет климатические условия местности, где предполагается ее использование. Дело в том, что чем выше будет температура окружающей среды в зимнее время, тем больше тепла будет аккумулировано системой и соответственно направлено на обогрев помещений дома. Так, например, если температура окружающей среды опускается ниже нуля, то контур лучше заглублять в грунт либо прокладывать по дну незамерзающих водоемов. В средней полосе России температура грунта не опускается ниже 8-ми градусов на глубине 10 и более метров. Этого тепла достаточно для того, чтобы нагреть теплоноситель системы отопления дома до 45 град. и выше. При этом на 1кВт затраченной электроэнергии приходится до 4 кВт получаемой, из низкопотенциальных источников, теплоэнергии.

Как видно из данного примера экономия составит 300% и более, в зависимости от типа установки теплонасоса и температуры окружающей среды. Сегодня существуют серьезные основания полагать, что теплонасосная технология в ближайшее время разовьется как альтернатива газовым и твердотопливным системам отопления. Украина в 2009 году начала строить крупную теплонасосную станцию в Севастополе для обогрева города. Осуществление этого проекта поручено японским специалистам, которые имеют большой опыт в данной сфере. В качестве низкопотенциального теплового источника будут использованы воды Черного моря. Кроме самой Японии такие системы уже используются в скандинавских странах и других европейских морских державах.

Вода – не единственный источник низкопотенциального тепла. Таким источником может быть грунт, или просто – атмосферный воздух. Сам принцип теплонасоса известен человечеству более 150-ти лет. В наше время в мире существует огромное количество теплонасосных установок, используемых промышленностью, в основном, для утилизации тепла. Однако в последнее время разработчики теплооборудования все больше интересуются сохранением тепла низкопотенциальных источников и использованием для обогрева помещений.

Компрессионный тепловой насос состоит из испарителя, конденсатора, дросселирующего устройства и самого компрессора. Испаритель собирает тепло внешнего контура, а в конденсаторе идет теплообмен с системой отопления жидкостного или воздушного типа.

Принципиальные схемы теплонасосных систем могут различаться в зависимости от используемого источника и среды-приемника. Таким образом, выделятся шесть схем:

1. Воздух – вода;
2. Вода – воздух;
3. Земля – вода;
4. Земля – воздух;
5. Воздух – воздух;
6. Воздух – вода.

Все теплонасосы разделены на две основные группы, отличающиеся по типу взаимодействия рабочих сред, на системы открытого и замкнутого цикла. В первом случае рабочая среда возвращается в природу, а во втором – происходит ее движение по замкнутому контуру. Так, например, открытый цикл применяют при использовании грунтовой воды из скважины, которая после стадии теплообмена сбрасывается в водоносный слой того же горизонта, через другую скважину, либо уходит в открытый водоем. Во втором случае незамерзающая жидкость циркулирует по замкнутому трубопроводу (как правило, пластиковому) на дне водоема либо в грунте.

Существуют также системы, т.н. прямого геообмена. Принципиальная схема таких систем включает в себя внешний контур, в котором циркулирует хладагент. Теплообмен в этом случае происходит прямо в грунте, через радиаторные капилляры, выполненные из меди. Одним из поставщиков такого оборудования является американская компания ERC. Теплонасосные системы этого производителя носят название EarthLinked. Данное оборудование предназначено для получения тепла из грунта, для чего внешний контур прокладывается либо горизонтально (с заглублением на 1,8 м) либо вертикально – в пробуренную скважину глубиной 15-30 м.

Как при выборе любой другой системы отопления, так и в случае с теплонасосами необходимо учитывать теплопотери помещения, его высоту, количество окон, степень теплоизоляции и другие параметры, оказывающие влияние на теплозатраты. Мощность насосной установки зависит от разности температур внешнего и внутреннего контура (потребляющего). Чем эта разница будет меньше, тем меньшей мощности потребуется теплонасос и, соответственно меньшее количество электроэнергии он будет потреблять.

Надежность и эксплуатационное соответствие системы отопления определяется ее стабильностью и способностью поддерживать оптимальную температуру на протяжении всего отопительного сезона. Теплонасосная установка для обогрева коттеджа может функционировать, используя такие носители, как воздух и грунт. Для более мощных систем в качестве низкопотенциальных тепловых источников используют морскую, речную или озерную воду, а также термальные воды.

Теплонасосы, работающие от наиболее доступного источника – наружного воздуха, до определенного времени не были пригодны для использования в средней полосе России, однако в 2007 году появились высокоэффективные воздушно-водяные теплонасосы типа Octopus, успешно зарекомендовавшие себя в такой, далеко не южной стране, как Швеция. Высокая эффективность данного оборудования достигается за счет использования в испарителе специального алюминиевого профиля «Icestick». Внешний контур этой установки не занимает всего несколько метров площади и располагается рядом с домом в виде вертикального радиатора. При работе системы на внешнем профиле «Icestick» образуется лед и иней.

Теплонасосы Octopus позволяют получать от каждого затраченного киловатта электроэнергии от 2,5 до 5 кВт тепловой энергии. КПД теплонасоса зависит от температуры воздуха, а также от степени нагрузки на систему.

В условиях сурового климата лучше использовать в качестве источников низкопотенциального тепла грунт, поскольку его температура не падает ниже +8 град, что обеспечивает высокую стабильность отопительной системы и гарантированный показатель на выходе +45 гр. Для обогрева домов оборудованном теплонасосом целесообразно использовать низкотемпературные системы отопления, такие, как теплые полы. Это позволит эффективно поддерживать комфортную температуру в помещениях, при этом имея некоторый запас мощности. Также теплонасосы решают проблему и горячего водоснабжения.

Произвести точный расчет мощности теплонасоса обычно помогают производители данного оборудования. Сегодня положительную характеристику имеют системы следующих фирм: THERMIA, MECMASTER, NIBE, IVT (Швеция), VIESSMANN, VAILLANT (Германия), ECR (США).