Тепловые насосы: тепло XXI века

Тепловые насосы представляют собой компактные экономичные и экологически чистые системы отопления, позволяющие получать тепло для горячего водоснабжения и отопления коттеджей за счет использования тепла низкопотенциального источника (грунтовых, артезианских вод, озер, морей, грунта, земных недр) путем переноса его к теплоносителю с более высокой температурой.

Как рождается тепло?

По прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК), примерно к 2020 году большинство развитых стран мира перейдет к теплоснабжению посредством тепловых насосов. Эти устройства уже более четверти века с успехом используют в быту и промышленности в Соединенных Штатах и Европе. Причем во многих городах работают сотни крупных сооружений, обладающих мощностью, как средней величины ТЭЦ. Сегодня теплонасосы обеспечивают теплом Стокгольм, используя в качестве низкопотенциального источника Балтийское море с температурой воды всего +8°C! Теплонасосы обеспечивают в Швеции половину всего тепла, в США – 37%, в России же – всего 0,1%. Использовать эту технологию нам мешает усвоенный еще в школе закон, что тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому. Между тем теплонасосы опровергают эту догму. Давайте попробуем разобраться, каким образом им это удается.

Любой теплонасос состоит из трех основных агрегатов: теплообменника (испарителя), компрессора (повышающего давление) и конденсатора. Эти агрегаты связаны между собой замкнутым трубопроводом. В системе трубопровода циркулирует хладагент, который в одной части цикла представляет собой жидкость, а в другой – газ. При каждом теплонасосе необходимо наличие источника тепла, температура которого настолько низка (0–25°C), что его невозможно использовать непосредственно. Источником тепла может выступать скалистая порода, земля (грунт) или вода.

Принцип действия теплонасоса следующий. Охлажденный теплоноситель, проходя по трубопроводу, уложенному в землю или по дну озера, нагревается на несколько градусов. Затем внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник (испаритель), отдает собранное в окружающей среде тепло во внутренний контур теплового насоса, заполненный хладагентом. Хладагент имеет очень низкую температуру кипения. Проходя через испаритель, он превращается из жидкого состояния в газообразное. Это происходит при низком давлении и температуре –5°C. Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где сжимается до состояния высокого давления и высокой температуры. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник, конденсатор. В конденсаторе происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам. После прохождения через конденсатор жидкий хладагент может быть еще охлажден, а температура воды прямого трубопровода системы отопления повышена посредством дополнительно установленного сабкулера (сабкулер – устройство, обеспечивающее извлечение дополнительной энергии). При прохождении хладагента через специально предусмотренный редукционный клапан давление его (хладaгента) еще понижается, и тогда он снова попадает в испаритель,а затем во внешний контур системы. Так цикл повторяется снова.

От природы… и не только

Тепловые насосы могут использовать в качестве источника тепла энергию грунта земельного участка. Трубопровод, в котором циркулирует теплоноситель, зарывают в землю на глубину около 1 м (при минимальном расстоянии между соседними трубопроводами – 0,8–1 м). Никакой специальной подготовки почвы при этом не требуется. Существуют только некоторые требования к грунту. Так, желательно использовать участок с влажным грунтом, идеально – с близко подходящими грунтовыми водами. Впрочем, и сухой грунт не будет помехой для устройства системы, нужно только увеличить длину контура (трубопровода). Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода, 20–30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт потребуется земляной контур длинной 350–450 метров. Для его укладки вполне подойдет участок земли площадью около 400 кв. м. Кстати, вовсе не обязательно укладывать контур ниже уровня промерзания почвы. Как считают специалисты, глубина один метр является в данном случае оптимальной. Что касается садово-огородной растительности, то при правильном расчете контур не оказывает совершенно никакого влияния на зеленые насаждения.

Существует также возможность использования для обогрева коттеджа тепла скалистых пород. В скале бурится тепловая скважина глубиной 60–200 м (глубина зависит от потребностей дома в тепле и размеров теплового насоса) и диаметром 10–15 см. В буровую скважину устанавливают трубопровод, имеющий форму буквы «U». Принцип действия этого теплового насоса такой же, как при использовании тепла грунта.

Задействование в качестве источника тепла воды ближайшего водоема или реки – идеальный вариант. В этом случае контур укладывают на дно водоема. Преимущества такого метода – короткий внешний контур, «высокая» температура окружающей среды (температура воды в водоеме даже зимой всегда положительная и редко опускается ниже +4°С), высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосом. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода, – 30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длиной 300 м. Для того чтобы трубопровод не всплывал, на один погонный метр «шланга» навешивают около 5 кг груза. Обратите внимание, что чем глубже проложен трубопровод, тем меньше риск его повреждения.

Кроме вышеперечисленных источников, теплонасосная установка может использовать тепловые сбросы самого жилья для отопления и горячего водоснабжения: сбросную воду, а также вентиляционные выбросы и дымовые газы. В последнем случае вытяжная система должна быть оборудована действующим вентиляционным агрегатом. Такая комбинация улучшает вентилирование дома и уменьшить плесень, сырость, загазованность радоном.

Выбор оптимального теплового источника зависит от многих факторов: энергетических потребностей дома, установленной отопительной системы и т. д. Разумеется, при расчете параметров будущей системы рекомендуется пользоваться услугами специалистов той фирмы, у которой вы приобретаете оборудование.

Кстати, обратите внимание, что при подборе теплонасоса к обогревательной системе загородного дома невыгодно ориентировать мощностные показатели теплонасоса на максимальные требования по мощности (на покрытие энергорасходов в отопительном контуре в самый холодный день года). Опыт показывает, что теплонасос должен покрывать 70–90% (в зависимости от теплоисточника) общей годовой потребности в энергии для отопления и горячего водоснабжения. При низких температурах зимой теплонасос применяется с пиковым доводчиком, которым он укомплектован, или в сочетании с имеющимся котельным оборудованием.

Практика показывает, что теплонасос позволяет осуществить процесс отопления без загрязнения окружающей среды вредными выбросами и чрезмерного потребления природных ресурсов, одновременно ощутимо уменьшая денежные затраты.