Статьи: Строительство и ремонт Всё для дома Инструменты и оборудование

Теплообменники и тепловые насосы

Если сравнивать принципы работы геотермальной энергетики с другими способами генерирования электрической или тепловой энергии, то следует заметить, что ветроэнергетика, солнечная энергетика и энергия биотоплива занимаются именно генерированием энергии от внешних источников. В случае с геотермальной энергетикой тепло или электрическая энергия не генерируется а «переносится» в виде тепла из одной системы в другую. В этом ее уникальность. Зачем тратить силы на добычу энергоресурсов, их отгрузку, транспортировку ...? Все что необходимо для создания тепла - у нас под носом, а если быть совершенно точным, то - под ногами. Грунт на определенной глубине (обычно от 2-х метров) всегда имеет положительную температуру и часто эта температура выше, чем температура на поверхности. Уверен, что многие из нас не раз наблюдали утром за ремонтом дороги или водопровода, когда из вырытой ямы поднимается пар. Всего-навсего каких-то несколько метров и уже относительно значительный перепад температур. Пользуясь технологическими решениями, это тепло недр земли можно перенести в свой дом для отопления пола, стен или ... нагрева воды или охлаждения воздуха. Такое технологическое решение назвали тепловым насосом, и принцип его работы схож с принципом работы любимого кухонного аппарата - холодильника.

Как и тепловой насос, холодильник забирает тепло из одной системы (холодильная камера) и переносит его в другую систему (помещение), нагревая радиаторы на тыльной стороне своего корпуса. Отличие лишь в том, что холодильник забирает тепло из камеры и отдает это тепло в окружающую среду. В случае с тепловым насосом все наоборот - он забирает тепло из окружающей среды и переносит в помещение (к объекту). В землю зарывают контур (внешний контур), он представляет собой замкнутую систему полиэтиленовых труб, по которым циркулирует теплоноситель. Для эффективной работы теплового насоса необходимо, чтобы точка замерзания теплового носителя была ниже нуля, поэтому теплоносителем служить смесь воды с антифризом. Теплоноситель, который перекачивается насосом по трубам, нагревается на несколько градусов за счет тепла грунта. Далее теплоноситель нагретым попадает в теплообменник, в нашем случае теплообменник испарителя. По внутреннему контуру циркулирует хладагент с низкой температурой кипения. Температуры теплоносителя полностью хватит для того, чтобы хладагент закипел и превратился в пар, забрав при этом тепло от теплоносителя. После этого газообразный хладагент закачивается компрессором, где он сжимается и его температура повышается. Далее сжатый хладагент попадает в конденсатор, где и происходит отдача тепла теплоносителю, который циркулирует по контуру отапливаемого объекта. Следовательно, остуженный хладагент в жидком состоянии возвращается обратно в испаритель, где его нагревает теплоноситель из внешнего контура.

Если говорить об эффективности такого альтернативного решения как тепловой насос, следует выяснить его коэффициент полезности. В Интернете попадаются статьи, в которых автор утверждает, что тепловой насос имеет КПД больше чем 100%, а именно 300-400%, то есть, тепловой насос - вечный двигатель. Но, как известно из школьного курса физики, это невозможно. Во-первых, потому что тепловой насос не берет энергию из ниоткуда, он берет ее с объекта, масса и размеры которого намного больше, чем отапливаемый объект. Во-вторых, для целой системы, которой является тепловой насос, правильным будет использовать понятие коэффициент передачи тепла (КПТ), а не КПД. Действительно, потратив определенное количество электроэнергии из сети на личные нужды, насос в виде тепла принесет в 3-6 раз больше с внешнего источника (почва, вода, воздух), но эта энергия взята из объекта, который находится в одной системе с отапливаемым объектом, что не позволяет такое отношение назвать КПД.

Именно благодаря тому, что цена установки насоса отопления сегодня является доступной большинству хозяев домов - тепловые насосы имеют настолько высокую популярность.

Для получения тепла необходимо уложить под землей систему труб, в которых будет протекать теплоносная незамерзающая жидкость. При температуре около 0°С жидкость в земле нагревается, извлекая тем самым из земли энергию. Затем поступает в теплонасос, где, охлаждаясь, передает полученную из земли энергию тепловому насосу. Остывшая жидкость возвращается под землю, и весь цикл повторяется сначала. В связи с тем, что под землей температура стабильная, даже при сильных морозах удается извлечь 3/4 энергии, необходимой для отопления.

Тепловые насосы воздух-вода извлекают энергию из окружающего воздуха, даже если температура снаружи понизится до -15°С. Энергию, полученную при низкой температуре, перекачивают на высшую температуру (даже +55°С). Тепло, переданное в тепловом насосе нагревательной воде, впоследствии используется для отопления.

Электроэнергия расходуется только на привод компрессора и вентилятора теплонасоса. Это представляет лишь треть энергии из того количества энергии, которую тепловой насос поставляет для нагрева отопительной воды. Оставшиеся 2/3 части энергии извлекает из окружающего воздуха. Благодаря этому можно сэкономить примерно 2/3 энергии, необходимой для отопления.

С целью извлечения тепла из земли при помощи глубинных скважин надо сделать одну или несколько глубоких скважин (глубиной до 70 -150 м). Их количество и глубина зависят от установленной мощности теплового насоса. Для предупреждения попадания на коллектор грунтовых вод перед бурением скважин необходимо произвести геологические исследования и от надлежащих органов получить разрешение на ведение работ.

Поверхностный земляной коллектор образован системой труб, расположенных на глубине около 1,0-1,2 м под поверхностью земли. Для установки коллектора сначала снимается верхний слой земли, осуществляется укладка земляного коллектора, и почва возвращается на свое место.

Установка теплового насоса воздух-вода не нуждается в каких-либо капитальных строительных работах, сам тепловой насос не занимает много места. Достаточно найти подходящее место на участке или поместить прямо на стену или на крышу объекта. С котельной внутри наружный агрегат соединяется парой труб и кабелями. В котельной устанавливается накопительный резервуар, который помогает уменьшить количество пусков теплового насоса и тем самым увеличивает его долговечность. Одновременно снабжает теплом отопительную систему, даже если тепловой насос выключен. К накопительному резервуару очень просто присоединяются и другие источники тепла, например, котел на дрова, вкладыш камина или солнечная система. Полученное таким образом тепло используется на отопление объекта, нагревание горячего водоснабжения или воды бассейна.

И напоследок несколько интересных фактов о тепловых насосах:
В США ежегодно производится около 1 млн. тепловых насосов.

В Японии ежегодно производится около 3 млн. тепловых насосов.
В Швеции 50% всего отопления обеспечивается тепловыми насосами. 12% всего отопления Стокгольма обеспечивают ТН общей мощностью 320 МВт, использующие в качестве источника тепла Балтийское море со среднегодовой температурой около восьми градусов Цельсия.

В 2001 г. в Швейцарии в каждой третьей новостройке устанавливались ТН (сведений за другие года нет). На каждые два квадратных километра территории Швейцарии (включая леса, горы и водоемы) установлен один ТН.
В резиденции экс-президента США Джорджа Буша в Техасе с 2001 года установлен геотермальный тепловой насос, что позволяет уменьшить расходы на отопление и кондиционирование на 75%.

Элтон Джон в ноябре 2003 года установил тепловой насос для отопления личного особняка (Виндзор, Великобритания).
По прогнозам Мирового Энергетического Комитета в 2020 году в мире доля тепловых насосов в теплоснабжении составит 75%


1367 просмотров
Поделиться в социальных сетях
Подписаться на группу ВКонтакте


Читайте также:

Комментарии к статье Теплообменники и тепловые насосы