Реферат: Использование низкотемпературного тепла земли, воды и воздуха

Использование низкотемпературного тепла земли, воды и воздуха

Тепловой насос – это компактная отопительная установка, предназначенная для автономного обогрева и горячего водоснабжения жилых и производственных помещений. Система экологически чиста, так как работает без сжигания топлива и не производит вредных выбросов в атмосферу.

Используя на 75% тепло окружающей среды и лишь 25% электроэнергии, вы получаете 100% отопления! Это бережет не только ваш кошелек, но и жизненное пространство.

Проблема снижения затрат на отопление, горячее водоснабжение, обогрев бассейнов в условиях Беларуси с ее продолжительными и суровыми зимами достаточно актуальна на сегодняшний день. Использование для теплоснабжения традиционных источников энергии требует существенных финансовых затрат. Рост цен на энергоносители и высокие расходы на их доставку заставляют задумываться об экономии. Кроме того, основными недостатками традиционных источников теплоснабжения являются низкая энергетическая (особенно в малых котельных) и экономическая эффективность. Простое и экономичное решение данной проблемы – тепловой насос.

Тепловой насос в буквальном смысле качает тепло – тепло земли, воды или воздуха. Ему не требуется уголь, нефть или газ для того, чтобы генерировать тепло. Он ничего не сжигает (а значит, ничего «не выбрасывает» в окружающую среду). Процесс происходит примерно так: солнце нагревает поверхность земли (или воздух, или воду), из центра земли у поверхности также поступает тепло. В результате на глубине от 18 метров положительная температура (до +10) постоянна в течение года. И это несмотря на то, что температура «на улице» может достигать 30 градусов.

Тепловой насос позволяет забрать у земли (или воздуха, или воды) то количество тепла, которое она способна восстановить. А добытое таким образом тепло утилизировать и направить в систему отопления и горячего водоснабжения. Иными словами, тепловой насос – холодильник наоборот. Холодильник забирает холод окружающей среды, а тепловой насос – ее тепло.

В случае тепла у земли это выглядит так: на глубину около сотни метров пробуривается скважина, в нее опускается зонд, в котором циркулирует специальная жидкость – рассол. Именно она забирает тепло земли и транспортирует его наверх. А компрессор теплового насоса повышает полученные +10 до +65. Электроэнергия требуется лишь для работы приводов. Коэффициент эффективности теплового насоса 1/4, это значит, что потраченный один кВт электроэнергии даст в результате 4 кВт тепловой энергии.

Практика показывает, что тепловой насос окупается в течение пяти-семи отопительных сезонов. За это время можно затратить на сжигаемое топливо столько денег, сколько стоил этот насос. Но он и дальше будет исправно давать почти бесплатное тепло еще лет 75, а вот цены на энергоносители будут неуклонно расти. Кроме того, запасы этих теплоносителей не безграничны.

Для теплового насоса нет ограничений по площади – 50 квадратных метров или 20000. Важно сохранить баланс – взять у земли (или воды, или воздуха) ровно столько тепла, сколько она готова восполнить.

Тепловые насосы для жителей Германии или Швеции не экзотика и даже уже не передний край науки – это абсолютно рядовое решение теплообеспечения зданий. Тепловые насосы давно и с успехом применяются в Финляндии, Японии, США. Вполне возможно, что в этот ряд скоро встанет и Беларусь.

Тепловой насос имеет четыре основных элемента: испаритель, компрессор, конденсатор и сбросной клапан. В испарителе хладагент нагревается до температуры 6–8С, отобранной из окружающей среды (земли, воды или воздуха), закипает и испаряется. Полученный пар сжимается компрессором, и при росте давления температура хладагента поднимается до 35–65С. Эта температура отдается через теплообменник конденсатора рабочей жидкости отопительного контура, и хладагент обратно конденсируется. Сбросной клапан сбрасывает давление в конденсаторе, перепуская хладагент в испаритель. Цикл замыкается.

Тепловой насос представляет эффективную замену котлу на жидком, газовом топливе или электрическому отоплению. Для хорошо спроектированного и построенного дома площадью 180 м2 необходимо 10–12 кВт тепловой энергии, которую можно получить, опустив два зонда в землю на глубину 100 м, для этого нужен участок земли размером 6х6 м.

Желательно использовать участок с влажным грунтом, идеально с близкими грунтовыми водами, однако сухой грунт не является помехой – это приводит лишь к увеличению длины контура.

Тепловые насосы целесообразно использовать в основном на небольших отдельно стоящих объектах с земельными участками. Применение тепловых насосов требует значительных капитальных затрат. Выбор тепловых насосов в качестве источника теплоснабжения целесообразно проводить еще на этапе проектирования объекта

Преимущества теплового насоса перед другими источниками теплоснабжения неоспоримы.

Термодинамически тепловой насос представляет собой обращённую холодильную машину и, по аналогии, содержит испаритель, конденсатор и контур, осуществляющий термодинамический цикл.

Основные типы термодинамических циклов – абсорбционный и, наиболее распространённый, парокомпрессионный. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель – теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту.

Как и холодильная машина, тепловой насос потребляет энергию на реализацию термодинамического цикла (привод компрессора). Температурный уровень теплоснабжения от тепловых насосов 35 – 55 °С.

Схема теплового насоса показана на рис. 1. В тепловом насосе источником тепла может быть скалистая порода, земля, вода или, например, воздух. Охлажденный теплоноситель, проходя по трубопроводу 1, уложенному в землю (озеро) нагревается на несколько градусов. Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник 2, называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса.

1 – контур подачи низкотемпературного тепла;

2 – испаритель;

3 – компрессор;

4 – конденсатор;

5 – контур подачи высокотемпературного тепла;

6 – дроссельный клапан

Низкое энергопотребление достигается за счет высокого КПД теплового насоса (от 300 до 700%) и позволяет получить на 1 кВт затраченной электрической энергии 3–7 кВт тепловой энергии. Система требует минимум электроэнергии для поддержания комфортной температуры жилья, а также получения достаточного запаса горячей воды. Непосредственно в самой установке единственной движущей частью является компрессор, срок службы которого составляет 15 лет, и который можно легко заменить по истечении срока его эксплуатации. Отсутствие необходимости в закупке, транспортировке, хранении топлива и расходе денежных средств, связанных с этим. Высвобождение значительной территории, необходимой для размещения котельной, подъездных путей и склада с топливом.

Тепловой насос работает устойчиво. Колебания температуры и влажности в помещении минимальны. Не требует специальной вентиляции помещений, где происходит нагрев воды и теплоносителя. Абсолютно взрыво- и пожаробезопасен. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют специальных навыков и описаны в инструкции. Систему можно диагностировать на расстоянии и вносить корректировки. Для этого необходимо иметь линию Интернет. Обслуживание установок заключается в сезонном техническом осмотре и периодическом контроле режима работы.

Тепловой насос – экологически чистый метод отопления и кондиционирования, т.к. при его работе не производится эмиссия CO2, NOХ и других выбросов, приводящих к нарушению озонового слоя и кислотным дождям. Отсутствуют аллергенно опасные выбросы в помещение, поскольку нет сжигаемого топлива и не используются запрещенные хладагенты.

Источники тепла и варианты установки тепловых насосов Для рационального использования тепла из окружающей среды в распоряжении имеются такие источники тепла, как грунт, вода и воздух. Все они аккумулируют солнечную энергию.

Источник тепла – грунт. Грунт аккумулирует солнечную энергию. Эта энергия воспринимается грунтом либо непосредственно в форме солнечной радиации, либо косвенно, в форме тепла, получаемого от дождя или из воздуха и составляет в течение всего года 8–12 градусов. Грунт имеет свойство сохранять солнечное тепло в течение длительного времени, что ведет к относительно равномерному уровню температуры источника тепла на протяжении всего года, это обеспечивает эксплуатацию теплового насоса с высоким коэффициентом мощности (к. п. д.).

Аккумулированное грунтом тепло передается вместе со смесью из воды и антифриза, точка замерзания которой должна находиться примерно на уровне -15°С, через горизонтально проложенные грунтовые теплообменники или через вертикально расположенные грунтовые зонды.

Спиралевидные коллекторы являются альтернативой при использовании тепла грунта. Посредством вертикального бурения они помещаются на глубину от 2 до 4 метров. На расстоянии около 4 метров друг от друга.

Коллекторы, работающие на энергии грунта, располагаются горизонтально на 20 см ниже границы промерзания грунта. На практике, в большинстве случаев эта глубина от 1 м до 1.4 м. Размер коллектора зависит от отопительной нагрузки здания и особенностей аккумулирования энергии, но об этом позаботится специалист. Источник тепла – грунтовые воды.

Грунтовые воды – хороший аккумулятор солнечного тепла. Даже в холодные зимние дни они сохраняют постоянную температуру до +12°С. По причине неизменного температурного уровня источника тепла коэффициент мощности теплового насоса остается высоким в течение всего года. Ели грунтовые воды не содержат кислорода, но содержание железа и марганца в них высокое, то колодцы могут разрушаться. В этих случаях нельзя допускать контакта грунтовых вод с окружающим воздухом или необходимо соответствующим образом обработать воду.

На использование грунтовых вод должно быть получено разрешение соответствующего ведомства (обычно службы Госводонадзора). Для использования тепла необходимо построить поглощающий колодец и водопоглощающий или инфильтрационный колодец.

Источник тепла – воздух. Тепловые насосы воздух / вода в настоящее время могут эксплуатироваться круглый год, однако при низких температурах коэффициент мощности резко уменьшается. Окружающий (атмосферный) воздух особенно легко использовать в качестве источника тепла, поскольку он имеется везде и в неограниченном количестве.

В случае насосов, использующих тепло окружающего воздуха, расчет размеров источника тепла задается конструкцией или размером установки. Требуемое количество воздуха подается вентилятором (который встроен в установку) на испаритель через воздушные каналы, при этом происходит охлаждение воздуха

Существуют три типа тепловых насосов, работающих на энергии воздуха и воды: – компактные тепловые насосы для размещения снаружи, – компактные тепловые насосы для размещения внутри здания, – и тепловые насосы, составные части которых расположены как внутри здания, так и снаружи.

Новостройки. Отопление тепловым насосом является идеальным вариантом для низкотемпературных систем отопления. К ним относятся панельное отопление и «теплый» пол. Их преимуществом является то, что они обходятся низкими температурами (30–40 градусов). Традиционным радиаторам необходима температура по меньшей мере 50 градусов.

Старые дома.

Существует специальное отопление и «теплый» пол, которые можно установить при ремонте старых домов. Раньше радиаторы были очень больших размеров – это как раз тот случай, когда вы можете использовать также тепловой насос. Существуют также высокотемпературные тепловые насосы, которые предусмотрены как раз для старых домов. В любом случае, с этими тепловыми насосами можно продолжать использовать уже имеющиеся радиаторы. Так же как не существует препятствий для установки теплового насоса при модернизации системы отопления. Режим эксплуатации. Правильный режим эксплуатации определяет экономичность установки с тепловым насосом.

Существуют следующие режимы эксплуатации:

Одновалентный

В нем нагревает исключительно тепловой насос. При очень низкой температуре окружающей среды одновалентный тепловой насос производит достаточно тепловой энергии. Обычно, одновалентными являются тепловые насосы, работающие на энергии грунта и грунтовых вод.

Моноэнергетический

Это обычный режим эксплуатации для теплового насоса, работающего на энергии воздуха или воды. При необходимости тепловой насос поддерживается электрическим нагревательным стержнем. Регулирование теплового насоса гарантирует, что этот вид дополнительного отопления следует использовать как можно реже, то есть только в очень холодные дни.

Двухвалентный

Наряду с тепловым насосом существует еще и второй производитель тепла, который поддерживает отопление дома при очень низкой температуре окружающей среды. Во время модернизации системы отопления им может оказаться котел, работающий на горючем. Какой режим эксплуатации выбрать, зависит от источника тепла. Неважно, какая система отопления установлена, важно сначала найти оптимальное решение вопроса теплоизоляции. Потому что чем лучше теплоизоляция, тем меньший прибор можно установить. А это означает небольшие инвестиции и небольшие затраты на отопление. Существуют разные виды подогрева воды. Около 10% энергии всей системы отопления расходуется на эту сферу. Поэтому и в этом вопросе следует искать экономный вариант.

Подогрев воды тепловым насосом системы отопления.

Если дом отапливается тепловым насосом, то он может при соответствующей регулировке осуществлять водоподогрев по приоритетной схеме. У водоподогрева в сравнении с отоплением есть преимущественное право, иными словами, когда тепловой насос подогревает воду, он не отапливает помещение. Поэтому важно установить достаточно большой аккумулятор.

Подогрев воды тепловым насосом системы водонагрева.

Компактные тепловые насосы системы водонагрева используются отдельно от системы отопления и служат для централизованной подачи горячей воды. Они забирают тепло из воздуха в помещении и подогревают таким образом хозяйственно-питьевую воду. Дополнительно может быть использовано отработанное тепло других приборов, например, холодильного шкафа. Преимуществом теплового насоса системы водоподогрева является то, что он забирает влагу из воздуха в помещении и охлаждает его, таким образом, помещение, где расположен тепловой насос, например, подвал, становится суше и холоднее. У этого прибора очень низкое энергопотребление. Тепловые насосы системы водонагрева обладают закрытым аккумулятором, в котором хранится тепло (в среднем вместимость составляет 300 литров), благодаря чему, горячую воду можно подавать в разные части дома.

Децентрализованный водоподогрев.

Это очень рациональная возможность подавать горячую воду в независимости от отопления благодаря децентрализованным источникам нагрева воды напрямую в кухню и ванную комнату.

«Солнечная» комбинация.

Солнечные коллекторы, соединенные с тепловым насосом, являются основным энергетически оптимальным решением водоподогрева, при этом они не наносят вред окружающей среде. Благодаря солнечной энергии можно подогреть 60–70% всей требуемой воды, что облегчит работу теплового насоса системы отопления. Оставшиеся 30–40% воды можно подогреть либо при помощи теплового насоса, либо энергией солнечных аккумуляторов.

Проветривание помещений при помощи рекуперации тепла и теплового насоса. Новостройки и дома с низким потреблением энергии обычно обладают хорошей изоляцией и изолированными, иногда даже звукоизолированными, окнами. Они почти герметичны. Вентиляционные приборы, рекуперирующие тепло, заботятся о том, чтобы в помещении было достаточно свежего воздуха. Кроме того, это снижает расходы на отопление. Специальные комплексные системы заботятся о теплоснабжении системы отопления, вентиляции помещений, о системе отдачи тепла и о подогреве воды. Эти системы также позволяют охлаждать помещения. Другой вариант представляет собой комбинацию, например, из теплового насоса, работающего на соляном источнике или воде, и вентиляционного прибора. Тепловой насос отапливает дом. Вентиляционный прибор забирает «грязный» воздух из определенных помещений (кухня, ванная, туалет). Благодаря интегрированному тепловому насосу, работающему на воздухе и воде, содержащееся в «отработанном» воздухе отработанное тепло используется для водонагрева. По встроенным в стены вентиляционным клапанам в помещение поступает свежий воздух из окружающей среды.

Модернизация отопления.

Модернизация отопления при помощи теплового насоса. Конечно же, модернизация отопления требует встраивания в систему теплового насоса. В пользу этого в старых домах говорят как низкие расходы на электроэнергию и низкое ее потребление, так и исключительный баланс с окружающей средой. Если ваша система отопления обходится температурой в 50–60 градусов, то вы легко можете встроить в нее тепловой насос. В старых домах предпочтительнее использовать такой источник тепла как воздух, так как это не требует больших затрат, связанных с перестройкой старой системы отопления. Существуют приборы, которые устанавливаются и внутри и снаружи помещения. Так как раньше радиаторы, по большей части, были увеличенных размеров, то они подходят для работы теплового насоса. Как и в новостройках, хороша комбинация низкотемпературной системы отопления, а стало быть «теплого» пола и панельного отопления. Недавно разработанные тепловые насосы, работающие на энергии воздуха и воды, с температурой запуска до 75 градусов спокойно заменяют старые котлы с мазутной топкой или газовые котлы. Высокотемпературные тепловые котлы создаются специально для модернизации системы отопления. Их преимущество заключается в следующем: в большинстве случаев можно продолжать использовать уже имеющиеся радиаторы. Таким образом сокращаются затраты на модернизацию. Тепловые насосы нового поколения спокойно отапливают жилые помещения площадью до 250 кв/м. Конечно, в старых домах можно также использовать такие источники тепла как грунт, в этом случае следует предпочесть вертикальные коллекторы, и грунтовые воды. Какие условия должны быть соблюдены, читайте в разделе «Источники тепла». Кстати, тот, кто решается приобрести тепловой насос, должен платить за изоляцию меньше, чем тот, кто устанавливает низкотемпературное мазутное отопление. Экономия может составить несколько тысяч евро.

Даже если на первый взгляд расходы на приобретение всей отопительной установки с тепловым насосом кажутся несколько выше, чем расходы на традиционную систему отопления, Вам не следует забывать, что начиная с первого дня использования этой системы, расходы на отопление сократятся почти в два раза, так как система почти полностью работает от бесплатного тепла окружающей среды. Неважно сколько стоят мазут или газ, отапливать тепловым насосом все равно выгоднее.