Тепловые насосы

Наши  технические специалисты  предложат  комплексные решения по уменьшению затрат  на теплоснабжение. Подготовят решение для производства энергии для отопления, подогрева воды с помощью тепловых насосов на основе ваших технических условий. Предлагаем свои услуги на всех стадиях – от проектных изысканий, вплоть до поставки «под ключ» всего, что нужно для систем отопления и горячего водоснабжения.

Тепловые насосы – «умножители тепла» — Это универсальный прибор, сочетающий в себе отопительный котел, источник горячего водоснабжения и кондиционер. Основное его отличие от всех остальных источников тепла заключается в исключительной возможности использовать возобновляемую низкотемпературную энергию окружающей среды на нужды отопления и нагрева воды. Название «тепловой насос» возникло из-за того, что прибор позволяет как бы «перекачивать» тепло из низкотемпературного источника в высокотемпературный. Отметим, что производя тепло, тепловой насос получает из источников в окружающей среде до 80% энергии. Получается, что энергии из «из розетки» нужно лишь около 20% — чтобы работал компрессор. Всё остальное — бесплатно. 
История
Оглядываясь назад, мы видим, что человек издавна использовал теплоту Земли. Историки утверждают, что маори, коренное население Новой Зеландии, всегда использовали горячие источники для приготовления пищи, стирки и отопления.
Первая каменная постройка над горячим источником была возведена примерно в 1500 году до нашей эры на острове Липари, к северу от Сицилии.
Начиная с 1888 года, тепло Земли используется в Исландии для отопления домов. С 1928 существует постоянно расширяющаяся система центрального отопления в столице Исландии Рейкьявике.
В 1827 году, по инициативе итальянского промышленника Франческо Лардерела, в Тоскане, в долине Лардерелло, впервые горячий пар был использован в технологическом процессе для выпаривания борной кислоты. Борная кислота является слабой кислотой, соли которой в большом количестве представлены в земной коре в виде боратов. Химический элемент бор имеет большое значение (жизненно необходим) и содержится в различных продуктах питания и питьевой воде.
В 1913 году в Лардерелло была введена в эксплуатацию первая геотермическая электростанция, мощность которой в то время составляла 250 кВт. Технологическая основа этого проекта была заложена в 1904 году графом Пьеро Генари Конти, который провел первый эксперимент по использованию геотермальных флюидов для производства электроэнергии. Паровой двигатель приводил в действие динамо-машину, которая питала 5 лампочек.
Уже более 50 лет мир пользуется этими устройствами. С помощью теплового насоса зимой можно отапливать помещение, производить горячую воду для бытовых нужд, подогревать бассейн, летом же, кондиционировать помещение.
Имеются два способа применения геотермической энергии:
• глубинная геотермия (20 - 200°C), высокие температуры
• поверхностная геотермия (приблизительно 8 - 25°C, низкие температуры)
Применение тепловых насосов Данный способ является промежуточным при переходе от традиционного использования поверхностной геотермальной энергии к более сложным технологиям, когда уровень температуры является недостаточным для прямого использования геотермальной энергии. С помощью теплового насоса уровень температуры повышается от 10°C - 20 °C до значения 50°C максимум до 65.

В процессе геотермальной эксплуатации земная теплота отбирается в верхних слоях земной коры, и доставляется на поверхность земли. Затем полученную энергию можно применять для  отопления или охлаждения.

Треть энергии потребляется частными домашними хозяйствами. Из этой трети 12 % приходится на подготовку горячей воды и 77 % на отопление помещений. Значение геотермии постоянно растет в связи с растущими расходами на энергию. Это становится понятным и косвенно подтверждается ростом показателей сбыта геотермальных тепловых насосов и особенно хорошей ситуации с заказами на предприятиях, занимающихся бурением. Речь идет об использовании земной теплоты приповерхностного грунта, т.е. грунта на глубине не более 100–150 метров. Хотя тепло доставляется в грунт с солнечными лучами и просачивающейся влагой атмосферных осадков, в случае приповерхностной геотермии говорят о земной теплоте. В приповерхностной зоне грунт работает преимущественно как аккумулятор солнечной энергии, а тепловой поток изнутри земли играет лишь подчиненную роль.

Поскольку температурный диапазон приповерхностного грунта составляет в среднем всего 8–12C, что слишком мало для прямого отопления, температура повышается до нужного уровня, как правило, 35–55C, с помощью геотермальных тепловых насосов. Для работы теплового насоса расходуется электрический ток. В качестве вариантов освоения земной теплоты в качестве источника возобновляемой энергии, возможно применение геотермальных зондов, геотермальных коллекторов и/или колодцев грунтовых вод. 

В глубинном диапазоне верхних 100 метров грунта, где преобладают средние температуры 10–12 C, теплота земли может добываться с помощью геотермальных тепловых насосов, геотермальных зондов, геотермальных коллекторов или колодцев грунтовых вод. Эта энергия используется, прежде всего, средними децентрализованными системами отопления с отопительной мощностью до 30 кВт. Таким образом, можно заготавливать отопительную и охладительную энергию для обслуживания:

• Коттеджей на одну семью, или даже целых жилых поселков

• Офисных и административных зданий

• Коммунальных общедоступных зданий, школ и больниц

• Промышленных предприятий, заводских, монтажных цехов и т.п. коллекторов или колодцев грунтовых вод. 

Грунт можно использовать и как источник земной теплоты, и как аккумулятор теплоты и/или холода.

Важную роль играют три составные части, должны быть оптимально взаимно согласованы, чтобы гарантировать рентабельную и надежную работу оборудования. Эти три компонента указаны ниже:

• Геотермальные теплообменники, а также иное оборудование для эксплуатации геотермального источника тепла, например, геотермальный коллектор, геотермальный зонд, и колодцы грунтовых вод;

• Тепловой насос;

• Оборудование для использования полученной теплоты, например, теплые полы, радиаторы и горячее водоснабжение.

Геотермальный теплообменник позволяет использовать земную теплоту. Геотермальные теплообменники состоят из пластмассовых труб, проложенных либо горизонтально в нескольких метрах под поверхностью земли (плоские коллекторы), либо помещенных в вертикальном положении в буровые скважины (геотермальные зонды). По этим трубам в замкнутом цикле течет смесь воды с антифризом (рассол), которая отбирает теплоту у грунта, работая как теплоносительная среда.

Охлажденный рассол течет по трубам назад в землю, где он может снова отбирать земную теплоту.

Чаще всего при освоении приповерхностной земной теплоты применяются геотермальные зонды.

Для коттеджа на одну семью с отопительной мощностью около 14 кВт необходимо, как правило, 160–200 погонных метров труб, распределенных на несколько скважин.

Как правило зонды закладываются на глубину 30–100 метров. По техническим и экономическим причинам глубины более 100 метров используются очень редко. Обычно применяются зонды на глубине примерно до 30 метров для аккумулирования сезонной теплоты (солнечного тепла, технологической теплоты, а также тепла, отходящего при охлаждении помещений). Теплота, аккумулированная грунтом, имеется затем в распоряжении для целей отопления.

Для проектирования и монтажа геотермальных зондов нужно точно знать характеристики грунта, последовательность слоев, и ситуацию с грунтовыми водами.

Техническое решение оборудования для обслуживания геотермальных зондов - тепловой насос тип : „рассол / вода“. Применяется для отопления, подготовка горячей воды, охлаждение, аккумулирование энергии.  Идеально в сочетании с солнечными тепловыми установками (солнечный коллектор).

В соответствии с тем, откуда поступает тепло и какой среде передается, Тепловой насос разделяют на типы – «воздух–вода», «воздух–воздух», «грунт–воздух», «грунт–вода», «вода–вода», «вода–воздух».

Тепловой насос  Toshiba ESTIA типа "воздух-вода"

Тепловой насос  типа «грунт–вода» (Геотермальное отопление), предназначенных для использования в отоплении вместо газовых и жидкотопливных котлов, составил в Европе примерно 125 тыс. в докризисном 2008 г., удвоившись буквально за два года. По прогнозам Мирового Энергетического Комитета к 2020 г. их доля в отоплении может достигнуть 75 %.
При использовании геотермической энергии температура является лишь одним из многих параметров, главную роль играет наличие достаточного объёма водоносных слоёв на соответствующей глубине.
Геотермальные коллекторы
Геотермальные коллекторы служат для получения тепловой энергии из поверхностных слоёв грунта; они устанавливаются на глубине максимум 5 метров, как правило, на 0,2 м ниже границы промерзания грунта. Первые 10 – 20 метров грунта прогреваются солнечным излучением, а также благодаря циркуляции тёплых грунтовых вод и теплопроводности грунта. Температура на глубине первых нескольких метров подвержена сезонным колебаниям, но на глубине от 20 - 50 м в течение всего года сохраняется постоянная температура, среднегодовое значение которой составляет 8°C - 10°C.
Энергия, получаемая с помощью коллектора или регистрового оборудования, может использоваться или для пассивного охлаждения здания, или, по достижении более высокого температурного уровня с помощью теплового насоса, для отопления. Следует учесть, что для работы тепловых насосов необходима электрическая энергия. Современные тепловые насосы 75% энергии получают из окружающей среды (в том числе, геотермическую энергию), 25% приходится на традиционное электричество.

Геотермальные коллекторы функционируют по тому же принципу, что и геотермальные зонды. Но есть существенная разница. Трубы, по которым циркулирует рассол, укладываются в грунт не вертикально, а горизонтально. Укладку геотермального коллектора можно сравнить с укладкой труб для „теплого пола“. Максимальная длина 100 метров. Трубы объединяються в сборниках прямотока и противотока. Как и в геотермальных коллекторах, в геотермальных зонах тоже протекает процесс отбирания теплоты смесью воды с антифризом (рассолом), и затем теплота передается на тепловой насос, где она должна быть увеличена до более высокого температурного уровня, если требуется.

 Аккумулированная солнечная энергия, попадающая в грунт за счет прямой инсоляции, из воздуха или с осадками, используется с помощью геотермальных коллекторов.

Большим недостатком геотермальных коллекторов по сравнению с геотермальными зондами является большая потребность в свободной территории с запретом застройки площади, под которой уложен коллектор. Поэтому под геотермальный коллектор нужно предусмотреть свободную площадь, которая вдвое больше отапливаемой площади жилого дома. По этой же причине, все чаще применяются специальные формы коллекторов, например, траншейный коллектор и геотермальный короб (экологичная винтовая свая). Коллекторы с этими специальными формами предусматривают укладку труб в выкопанные траншеи или в пробуренные скважины.

Оборудование для геотермальных коллекторов-тепловой насос тип „рассол-вода“, или система с прямым испарением.  Область применения- отопление, подготовка горячей воды, реже – охлаждение и аккумулирование энергии.

Принципиальная схема геотермального коллектора

Геотермальный коллектор должен иметь площадь, равную площади обогреваемого помещения, или превосходить её максимум в два раза. Благодаря тому, что для геотермического коллектора не требуется значительной площади, его можно установить на индивидуальном земельном участке, то есть отсутствует проблема с размещением. Подобные источники энергии имеются повсеместно.

Геотермальные зонды

Принципиальная схема установки с геотермальным зондом

Для использования геотермической энергии, аккумулируемой в более глубоких слоях, служат u-образные геотермальные зонды, которые устанавливаются на глубине до 400 м. В них циркулирует нагревающаяся в глубине среда-теплоноситель, с помощью которой тепло переносится на поверхность к теплообменнику теплового насоса. Поскольку на относительно небольших глубинах температура не достигает высоких значений, требуется применение теплового насоса, как и в случае с геотермальными регистрами.
Эксплуатация зондов осложняется тем, что в зоне их установки не исключена вероятность охлаждения грунта. При охлаждении грунта на расстоянии 2 м от зонда температура может снизиться на 2°C.
Однако при оптимальном проектировании эффект охлаждения можно минимизировать, обеспечив таким образом продолжительный срок эксплуатации.
Значения температуры и параметры грунта различаются на разных участках. Получение энергии с помощью геотермических зондов требует соблюдения ряда условий, что возможно не на всех участках. В отличие от ветровых установок, в данном случае сложно выбрать оптимальное место для монтажа, так как параметры грунта можно точно определить только в редких случаях, а для того, чтобы их выяснить, требуется проведение технических работ в большом объёме. Кроме того, следует иметь в виду, что при использовании геотермических зондов для получения энергии может встать вопрос об охране грунтовых вод. На отдельных участках, в соответствии с требованиями по охране грунтовых вод, приходится отказаться от использования геотермических зондов.
Геотермические зонды проникают в грунт на большую глубину, но на поверхности они не занимают много места, как и геотермальные коллекторы. Геотермические зонды не оказывают воздействия на окружающую среду, и для их установки не требуется большого пространства.

Схема работы теплового насоса грунт вода

В случае применения тепловых насосов грунтовых вод (открытая система), отпадает использование рассола, циркулирующего в трубах в качестве теплоносительной среды. При этом способе для добычи энергии применяются непосредственно грунтовые воды. Грунтовые воды добываются из водозаборного колодца, и направляются прямо к тепловому насосу. Затем выполняется съем теплоты с грунтовых вод, и уровень температуры поднимается тепловым насосом до температуры, необходимой в отопительном цикле циркуляции. Охлажденные грунтовые воды направляются через поглощающий колодец назад, в водоносный горизонт грунтовых вод.

Если есть пригодный приповерхностный водоносный пласт с горизонтом грунтовых вод, рекомендуется добывать теплоту с помощью теплового насоса грунтовых вод.

С ростом глубины сильно возрастают расходы на эксплуатацию и инвестиции в обустройство колодцев, поэтому оптимальной считается глубина от 10 до 50 м. Дебит колодцев должен гарантировать постоянный теплосъем с номинальным расходом (потоком) подключенного теплового насоса.

На территориях с охраняемыми водами и с наличием целебных источников использование грунтовых вод категорически запрещено.

Схема Тепловой насос грунтовых вод

Предпосылкой для принятия разрешения об использовании грунтовых вод является способность эксплуатирующей организации, вернуть выкаченные грунтовые воды в подземный поток грунтовых вод в том же количестве, с исходной температурой и с той же степенью чистоты.

При проектировании и расчете теплового насоса грунтовых вод следует обращать внимание на качество грунтовых вод. Вода должна быть по возможности химически нейтральной, не превышать определенных, указанных производителем геотермального насоса, предельно-допустимых концентраций, поскольку иначе испаритель будет разрушен в результате коррозии. Железо и марганец в грунтовых водах, могут контактировать с кислородом воздуха в поглощающем колодце. При недопустимо высоком содержании железа и марганца в грунтовой воде, фильтрующий гравий засоряется продуктами окисления до такой степени, что вода в колодец больше не поступает. Это называют иссяканием колодца. В этом случае очистка колодца очень трудоемкое или дорогое мероприятие, если она вообще возможна.

Техническое решение оборудования для открытой системы применение тепловых насосов грунтовых вод- Тип теплового насоса: „вода/вода“.  Применение: отопление, подготовка горячей воды, для отопления и охлаждения, целесообразно в сочетании с солнечными тепловыми установками (солнечный коллектор).

Наряду с отоплением зданий, которое является наиболее широко распространенным видом эксплуатации земной теплоты, геотермия также пригодна для целей охлаждения. Охлаждение зданий может быть реализовано как методом прямого теплообмена, так и с помощью теплового насоса. Для охлаждения тепловой насос работает по циклу, обратному отопительному режиму, т.е. по принципу действия холодильника. Отходящее тепло направляется в землю, где оно аккумулируется и может быть использовано при необходимости.

Отбор теплоты из грунта можно осуществлять с помощью геотермальных зондов или геотермальных коллекторов. При геотермальном отборе максимальная температура грунта не превышает, например, 10 C, что соответствует максимальной температуре теплоносительной жидкости (рассола). На практике температура грунта может быть значительно ниже в результате охлаждения грунта от работы геотермальных зондов. Для обеспечения достаточно эффективной эксплуатации подземной теплоты, температура должна соответствовать, по крайней мере, температуре в прямотоке системы отопления. Это возможно с помощью теплового насоса. В результате тепловой насос становится центральным узлом системы геотермального теплоснабжения. Принцип действия теплового насоса можно сравнить с принципом действия холодильника. В тепловом насосе осуществляется циклический процесс, как в холодильнике. 

В холодильнике используется процесс, обратный процессу теплового насоса.

Тепловые насосы → производят тепло, они нагревают.

Тепловые насосы (ТН) используют энергию крайне эффективно, и позволяют применять по большей части возобновляемую энергию. Они значительно снижают расходы на отопление. Отопление тепловыми насосами осуществляется по месту монтажа, без пламени и эмиссии вредных веществ. Тепловые насосы обеспечивают экологически чистую подготовку горячей и питьевой воды, они могут не только топить, но и охлаждать.

Тепловой насос  типа Воздух-вода (Солнечное отопление)

Воздушно-солнечный конвектор Bernier-Energies – это первое в мире устройство экологического и экономичного отопления, предназначенное для полной замены существующих электрических обогревателей. Термодинамический моноблок конвектор позволяет экономить до 72% электроэнергии .
Тепловой насос, встроенный в стену здания, использует полноценно эту  энергию для нагрева отопительной жидкости. Он не отдаёт тепло наружу, а дополнительно использует его для более эффективной работы системы.

Схема отопления (Солнечное отопление)

Схема ГВС

В новостройке должны быть следующие предпосылки для установки теплового насоса:

• Хорошая теплоизоляция перекрытий и наружных стен

• Применение теплозащитного остекления

• Организация низкотемпературного отопления, что особенно рентабельно при отоплении полов. Радиаторы должны иметь как можно более низкую температуру в прямотоке.

Режим работы теплового насоса определяет рентабельность и экономичность геотермальной системы.

• Существует моновалентный, бивалентный и моноэнергетический режим эксплуатации теплового насоса.

Недостаточное параметрирование геотермального оборудования может стать источником существенных проблем при эксплуатации! Это может привести к завышению эксплуатационных расходов, экологическому ущербу и даже повреждению строительных конструкций. Может даже потребоваться вывод оборудования из эксплуатации. Чрезмерное параметрирование оборудования для осуществления теплосъема может стать причиной слишком большого объема инвестиционных расходов. Установки становятся нерентабельными, что мешает росту популярности оборудования и росту объемов продаж. Поэтому правильный расчет системы геотермальной эксплуатации грунта решает технический и экономический успех большинства проектов.

Выбор горизонтальных или вертикальных геотермальных теплообменников определяется геологической ситуацией по месту нахождения, наличием места, потребного для монтажа оборудования, а также особенностями монтажа.

Технический расчет теплосъемного оборудования требует как можно более точного знания потребности в тепле с учетом распределения этой потребности, а также с раскладкой расхода отопительной энергии во времени.

Для гарантии многолетней работы системы геотермального оборудования, необходимо грамотно, профессионально выполнить все работы по проектированию и техническому расчету зондов или колодцев. Экономия расходов на проектирование может привести к неправильной работе оборудования, к слишком большим, ненужным капиталовложениям или к проблемам с интерфейсом между зоной домового оборудования, геологией местности и с возможностями бурильного оборудования, которое имеется в распоряжении.

Только после точного проектирования можно поручать бурильные работы и заглубление скважин или колодцев сертифицированному предприятию, обладающему соответствующей специализацией. При этом наряду с бурением, монтажом геотермального зонда и грамотным заполнением кольцевого пространства следует соблюдать горизонтальную привязку всей системы, вплоть до теплового насоса.

Непревзойденную рентабельность по эксплуатационным расходам имеют тепловые насосы потому, что с ними можно до 80 % потраченной энергии получать бесплатно из окружающей среды. Но на рентабельность влияет так же выбор источника тепла и то обстоятельство, предусмотрена ли встроенная солнечная установка, или нет. Годовые эксплуатационные расходы с учетом расходов на техническое обслуживание и топливо, сбор за счетчики и т.п. теплового насоса значительно меньше чем при использовании газового либо мазутного котла.

Теплонасосная система амортизируется уже через 5 лет, а для амортизации систем на ископаемом топливе требуется 9 лет и более данные с учетом стоимости электроэнергии в Европе в России немного больше.

Российские перспективы
Хотелось бы верить, в то что со временем к этим странам присоединится и Россия, не смотря на то, что так богата ископаемым топливом. Разумеется, существуют некоторые ограничения в использовании тепловых насосов. Они, в основном, связаны с температурой окружающего воздуха. При очень низких температурах, которые обычно фиксируются на самом севере нашей страны, в приполярных, заполярных районах, эффективность теплового насоса, ввиду конструктивных особенностей и принципа действия, например, для отопления помещений, не очевидна. Но всё же большая часть населения России проживает в районах с не столь суровым климатом, где тепловые насосы вполне могут эксплуатироваться и уже эксплуатируются, хоть и в заметно меньших объёмах, чем, к примеру, в странах северной Европы. Возможность эксплуатации и эффективность низкотемпературных воздушных тепловых насосов в условиях России, обоснована теоретически и подтверждена на практике. Работоспособны и целесообразны тепловые насосы и в других регионах.

Приведённые в таблице данные свидетельствуют о том, что тепловые насосы вполне работоспособны в различных регионах нашей страны

Установки имеет довольно приличный КПД, для выработки 1 кВт/ч тепла, достаточно подать на компрессор, который прокачивает теплоноситель всего 0,2-0,35 кВт/ч электроэнергии. Согласитесь, это очень приличный результат. Расчёты показывают, что геотермическая установка может эксплуатироваться на одном месте до 50 лет. Если учесть, что продолжительность полной нагрузки составляет от 4000 до 5000 часов в год, то общее количество тепла за год составит одну сотую часть геотермических резервов. Как правило, установка окупается за 4-9 лет и имеет срок службы до капитального ремонта не менее 25 лет, при этом практически не требует обслуживания. В современных условиях роста цен на энергоносители срок окупаемости теплового насоса может сократиться и составить очень серьёзную конкуренцию традиционным источникам теплоснабжения. Важные нюансы использования тепловых воздушных насосов для северных территорий здесь. Систему можно сделать автономной, если комбинировать систему с солнечными батареями и ветрогенератором. 

Геотермальный тепловой насос как инструмент для энергосбережения и решения непростых задач в данном материале

Благодаря энергии солнца, ветра сегодня можно обеспечить электричеством и тепловой энергией небольшой коттедж. 

описания возможных систем и цены можно посмотреть здесь...

По всем вопросам  вы может обращаться по телефонам (343) 361-45-62,   писать вопросы на e-mail