Особенности применения тепловых насосов для отопления дома

Тепловой насос - это холодильник наоборот. Основная задача теплового насоса - забрать тепло из прохладной внешней среды и передать его в помещение. Внешняя среда при этом может быть разная: водоем, море, теплые канализационные стоки, грунт, теплый воздух вытяжной вентиляции. Принцип работы теплового насоса: в замкнутом контуре циркулирует хладоагент с низкой температурой испарения. Он испаряется во внешнем теплообменнике при низком давлении и температуре.

При испарении происходит охлаждение теплообменника и тепло забирается из внешней среды. Далее компрессор теплового насоса сжимает пары и перекачивает их во внутренний теплообменник. При прохождении через сопло расширителя давление и температура пара резко падают, происходит конденсация теплоносителя на стенках теплообменника с передачей ему тепла. От теплообменника нагревается воздух в помещении или подогревается вода в системе отопления. В качестве теплоносителя обычно используется 30%-й раствор пропиленгликоля или этиленгликоля, фреоны, пропан, реже - спиртовые растворы.

Хотя КПД теплового насоса характеристика важная, но для теплового насоса этот параметр не главный. Задача теплового насоса накачать тепло, используя электроэнергию для привода компрессора. Поэтому тепловой насос оценивается коэффициентом преобразования теплоты. То есть сколько тепловой энергии вырабатывает тепловой насос на 1 кВт затрачиваемой электрической энергии. Обычно этот коэффициент от 2,5 до 5. Выбор внешней среды для работы теплонасоса, теплообменников, схемы их расположения и укладки трубопроводов - дело специалиста. Все эти конструктивные особенности существенно влияют на эффективность работы теплового насоса.

Во внешнем контуре теплового насоса обычно проблем с температурой не возникает. По экономическим причинам не имеет смысла выхолаживать воздух с отрицательной температурой, но очень выгодно забирать тепло из канализационных стоков, с придонной части прудов и озер и из других непромерзающих водоемов, болот. Поскольку температура этих источников практически постоянна, считается, что для теплового насоса это неограниченный источник тепла. Теплообменники для водных источников подбираются исходя из расчета съема тепловой энергии 30Вт на 1 погонный метр трубы теплообменника. Фиксация теплообменника в придонной части обеспечивается грузом 5 кг на 1 метр теплообменника.

При использовании в качестве источника тепла грунта, ситуация несколько сложнее. Расположение теплообменника в грунте дело довольно трудоемкое. Для нормальной работы теплообменника его нужно заглубить ниже слоя промерзания на глубину около 1 метра. Площадь расположения теплообменника для среднего дома около 400 м², длина труб около 450 метров. Если заменить поверхностный теплообменник на глубинный, то для его расположения будет необходимо пробурить скважину 70-150 метров, что очень дорого. Правда производитель гарантирует работу такого теплообменника до 100 лет, но за такой срок планы использования земельного участка и технологии генерации тепла могут измениться. Кроме того, грунт обладает ограниченной теплопроводностью. Вокруг теплообменника грунт со временем выхолаживается, что снижает эффективность работы теплового насоса. Имеются сведения о том, что некоторые проблемы с теплосъемом возникают через десять лет эксплуатации такого теплообменника.

Весьма эффективно применение тепловых насосов если удается использовать тепло геотермальных источников и тепло грунтовых вод. В этом случае применяются теплообменники вода-вода, которые забирают тепло из двух недалеко отстоящих друг от друга скважин.

Температура на выходе теплового насоса обычно не превышает 40^оС. Поэтому тепловые насосы целесообразно использовать или для подогрева теплоносителя обычной системы отопления и воды для ГВС, или для подогрева полов системой отопления "Теплый пол^"

В жаркий период тепловой насос можно использовать для охлаждения помещения. В этом случае тепло отводится во внешний контур через специальный теплообменник, установленный внутри помещения.

Перспективы применения тепловых насосов

Тепловые насосы довольно надежные устройства. Срок эксплуатации компрессора и теплообменного контура около 30 лет. Практика применения тепловых насосов показала, что их агрегаты и автоматика практически не выходят из строя в течение всего срока эксплуатации стоимость получаемого тепла в 2,5 раза ниже, чем тепло от индивидуальных газовых котельных и в 3 раза ниже, чем стоимость тепла от централизованной системы отопления. Подогрев воды для систем отопления и ГВС не вызывает затруднений и заметных затрат, поскольку 75-80% необходимого нагрева уже сделал тепловой насос.

Практика применения показывает, что обычно тепловой насос полностью обеспечивает потребности в тепле. Исключения составляют дни с холодной погодой, на которые приходится 2-8% необходимого дополнительного подогрева от котла или ТЭНа. Сроки окупаемости тепловых насосов оцениваются по разному: от 2 до 6 лет. По всей видимости это связано с применением субсидий на установку тепловых насосов в некоторых странах. В России стоимость тепла, вырабатываемого тепловым насосом конкурентна стоимости тепла от газовых котлов. Очевидно это обстоятельство сдерживает внедрение тепловых насосов.

По оценкам специалистов, в настоящее время в мире установлено около 100 миллионов тепловых насосов и ежегодно устанавливается еще порядка 20 миллионов.

• В Швеции 50% всего отопления обеспечивают геотермальные тепловые насосы.
• В Стокгольме 12% всего отопления обеспечивается геотермальными насосами с общей мощностью 320 МВт, источник тепла - Балтийское море.
• В Швейцарии эксплуатируется свыше 60000 тепловых насосов, что составляет примерно 30% от общего количества тепловых установок в жилых домах
• В США ежегодно производится более 1 млн. геотермальных тепловых насосов. Федеральное законодательство США, при строительстве новых общественных зданий, требует использовать геотермальные тепловые насосы в системах отопления.
• В Японии ежегодно производится 3 миллиона тепловых насосов.
• В Германии предусмотрена дотация государства в размере 30 евро на 1 кВт установленной тепловой мощности тепловых насосов. Цена теплового насоса стала доступна большинству. Поэтому доля тепловых насосов в общем количестве тепловых установок составляет 2%, ежегодно устанавливается около 50 тысяч тепловых насосов. В основном в новостройках.
• В Китае 20% климатического оборудования составляют тепловые насосы.

В России процесс применения тепловых насосов в самом начале. Общая мощность установленных тепловых насосов несоизмеримо мала по сравнению с другими странами. Судя по информационным источникам, насосы устанавливаются в основном в общественных зданиях. Тепловые насосы работают в Туапсе, Перми, Калининграде, Самаре, Пензе, Московской и Ленинградской областях. Тем не менее процесс пошел. Стремительно растущая стоимость газа, стоимость технологического присоединения к тепловым и электрическим сетям, заставляют искать альтернативные источники автономного теплоснабжения. При протекании теплых сточных рек по городам и предприятиям, найти дополнительный источник теплоснабжения оказывается несложно. На это уже многие начинают обращать внимание.

Автор: Коваль Сергей Петрович