Приповерхностная технология

Приповерхностную технологию использования низкопотенциальной тепловой энергии с помощью теплового насоса можно рассматривать как некоторый технико-экономический феномен или реальную революцию в системе теплообеспечения.

Устройство теплового насоса. Основными элементами теплового насоса являются соединенные трубопроводом испаритель, компрессор, конденсатор и регулятор потока – дроссель, детандер или вихревая труба (Рис.16). Схематично тепловой насос можно представить в виде системы из трех замкнутых контуров: в первом, внешнем, циркулирует теплоотдатчик (теплоноситель, собирающий теплоту окружающей среды), во втором — хладагент (вещество, которое испаряется, отбирая теплоту теплоотдатчика, и конденсируется, отдавая теплоту теплоприемнику), в третьем — теплоприемник (вода в системах отопления и горячего водоснабжения здания).

Рис. 16. Устройство теплового насоса

Внешний контур (коллектор) представляет собой уложенный в землю или в воду трубопровод, в котором циркулирует незамерзающая жидкость — антифриз. Следует отметить, что в качестве источника низкопотенциальной энергии может выступать как тепло естественного (наружный воздух; тепло грунтовых, артезианских и термальных вод; воды рек, озер, морей и других незамерзающих природных водоемов), так и техногенного происхождения (промышленные сбросы, очистные сооружения, тепло силовых трансформаторов и любое другое бросовое тепло). Температура, необходимая для работы насоса обычно составляет 5-15 .

Во второй контур, где циркулирует хладагент, встроены теплообменники — испаритель и конденсатор, а также устройства, которые меняют давление хладагента — распыляющий его в жидкой фазе дроссель (узкое калиброванное отверстие) и сжимающий его уже в газообразном состоянии компрессор.

Рабочий цикл. Жидкий хладагент продавливается через дроссель, его давление падает, и он поступает в испаритель, где вскипает, отбирая теплоту, поставляемую коллектором из окружающей среды. Далее газ, в который превратился хладагент, всасывается в компрессор, сжимается и, нагретый, выталкивается в конденсатор. Конденсатор является теплоотдающим узлом теплонасоса: здесь теплота принимается водой в системе отопительного контура. При этом газ охлаждается и конденсируется, чтобы вновь подвергнуться разряжению в расширительном вентиле и вернуться в испаритель. После этого рабочий цикл повторяется.

Чтобы компрессор работал (поддерживал высокое давление и циркуляцию), его надо подключить к электричеству. Но на каждый затраченный киловатт-час электроэнергии тепловой насос вырабатывает 2,5-5 киловатт-часов тепловой энергии. Это соотношение называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты) и служит показателем эффективности теплового насоса. Значение данной величины зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем она меньше. По этой причине тепловой насос должен использовать по возможности большее количество источника низкопотенциального тепла, не стремясь добиться его сильного охлаждения [31].

Виды тепловых насосов. Тепловые насосы бывают двух основных типов – с закрытым и открытым контуром.

Насосы с открытым контуром используют в качестве источника тепла воду поземных источников – она закачивается по пробуренной скважине в тепловой насос, где происходит теплообмен, и охлажденная выводится обратно в подводный горизонт через другую скважину. Такой тип насосов выгоден тем, что подземная вода сохраняет стабильную и достаточно высокую температуру круглый год.

Насосы с закрытым циклом бывают нескольких типов: вертикальные и г оризонтальные (Рис.17).

Насосы с горизонтальным теплообменником имеют замкнутый внешний контур, основная часть которого вкопана горизонтально в землю, или прокладывается по дну близлежащего озера или пруда. Глубина пролегания труб под землей в таких установках – до метра. Этот способ получения геотермальной энергии самый дешевый, но для его использования необходим ряд технических условий, которые не всегда есть на обустраиваемой территории. Главное из них – трубы должны пролегать так, чтобы не мешать росту деревьев, земледельческим работам, чтобы была низкая вероятность повреждения подводных труб при сельскохозяйственной или другой деятельности.

Рис. 17. Приповерхностная геотермальная система с теплообменом [6]

Насосы с вертикальным теплообменником включают в себя внешний контур, вкопанный глубоко в землю – на 50-200 м. Это самый эффективный тип насоса, который производит самое дешевое тепло, но его установка намного дороже предыдущих типов. Выгода в этом случае связана с тем, что на глубине больше 20 метров, температура земли стабильна круглый год и составляет 15-20 градусов, а с увеличением глубины только растет [32].

Кондиционирование с помощью тепловых насосов. Одним из важных качеств тепловых насосов является возможность переключения из режима отопления зимой в режим кондиционирования летом: только вместо радиаторов используются фанкойлы.

Фанкойл - это внутренний блок, в который подаются тепло- или хладоноситель и прогоняемый с помощью вентилятора воздух, который в зависимости от температуры воды либо нагревается, либо охлаждается. Включает в себя: теплообменник, вентилятор, фильтр для очистки воздуха и пульт управления.

Так как фанкойлы могут работать и на нагрев и на охлаждение, возможны несколько вариантов обвязки:

- S2 – трубная – когда роль тепло- и хладоносителя выполняет вода и допускается их смешение (и, как вариант, устройство с электронагревателем и теплообменником, работающим только на охлаждение);

- S4 – трубная – когда хладоноситель (например, этиленгликоль) не может смешиваться с теплоносителем (водой).

Мощность фанкойлов по холоду колеблется от 0,5 до 8,5 кВт, а по теплу – от 1,0 до 20,5 кВт. В них устанавливаются малошумные (от 12 до 45 дБ) вентиляторы, имеющие до 7 скоростей вращения [33].

Перспективы. Широкому распространению тепловых насосов мешает недостаточная информированность населения. Потенциальных покупателей пугают довольно высокие первоначальные затраты: стоимость насоса и монтажа системы составляет 300-1200$ на 1 кВт необходимой мощности отопления. Но грамотный расчет убедительно доказывает экономическую целесообразность применения этих установок: капиталовложения окупаются, по ориентировочным подсчетам, за 4-9 лет, а служат тепловые насосы по 15-20 лет до капитального ремонта [34].