|
О строительстве традиционном и не очень.
Теплонасосы в системе отопления.
Может ли холодное тело согреть тёплое? На первый взгляд это кажется невозможным.
Однако законы физики этому не противоречат. Просто для организации подобного процесса потребуется некий механизм и затрата определённой энергии на его работу. Именно такой механизм, позволяющий организовать перетекание тепла от менее нагретого тела к более нагретому, и называется тепловым насосом.
В последние десятилетия энергоэффективные технологии жизнеобеспечения зданий, базирующиеся на применении тепловых насосов, получают всё большее распространение. Практически все реализуемые за рубежом широкомасштабные программы по экономии энергии предусматривают их широкое использование.
Впервые использовать принцип теплового насоса для обогрева чего-либо предложил британский физик и естествоиспытатель Уильям Томсон ещё в 1852 году. Тогда же он соорудил первый тепловой насос — механизм, доказавший свою работоспособность. Томсон (за заслуги перед наукой получивший от британской короны титул «лорд Кельвин») назвал свое изобретение «умножитель тепла». Уже тогда гениальный изобретатель указывал, что ограниченность энергоресурсов не позволяет непрерывно сжигать топливо в печах для отопления и что его «умножитель тепла» будет потреблять меньше топлива, чем обычные печи.
Предвидение гениального физика об использовании альтернативных источников тепла начало сбываться примерно с 70-х годов прошлого столетия. Именно тогда стремительный рост цен на энергоносители подтолкнул мировое сообщество с удвоенной силой искать новые неиссякаемые источники энергии.
Холодильник наоборот.
С точки зрения термодинамики тепловой насос — это устройство для переноса теплоты от источника с более низкой температурой к источнику с более высокой температурой. Другими словами — это «холодильник наоборот».
Чтобы это понять, достаточно отвлечься от житейских стереотипов и
усвоить, что по своей сути холодильник — это не столько устройство по «созданию холода», сколько машина для переноса тепла из одного места в другое. Внутри холодильника помещён испаритель (камера расширения), в котором хладагент — жидкость с низкой температурой кипения — переходит в газообразное состояние, забирая при этом тепло из окружающего пространства. Компрессором газ перекачивается в конденсатор (он размещён снаружи холодильника) и там сжимается. При сжатии хладагент вновь переходит в жидкое состояние, отдавая наружу тепло, отобранное внутри холодильника. Затем цикл повторяется.
Парадоксальная же, на первый взгляд, аналогия между производством тепла и производством холода состоит в том, что принцип работы тепловых насосов и обычных холодильников одинаков и основан на двух хорошо знакомых всем физических явлениях.
Первое.
Когда вещество испаряется, оно поглощает тепло, а когда конденсируется — отдаёт его. Этой закономерностью объясняется эффект охлаждения жидкости в бутылке, обернутой мокрой тряпкой (испаряющаяся вода отбирает часть тепла). Сюда же относится и более высокая по сравнению с жидкостью поражающая способность пара при ожоге.
Второе.
Температура испарения и конденсации вещества зависит от давления. Чем выше давление, тем выше температура, и наоборот. Именно поэтому в кастрюле-«скороварке» пища готовится быстрее, чем в обычной посуде (давление в «скороварке» повышается, а вслед за этим повышается и температура кипения воды). Зато в горах, где атмосферное давление ниже, чтобы сварить пищу, требуется больше времени.
В обоих устройствах (и в холодильнике, и в тепловом насосе) основными элементами являются испаритель, компрессор, конденсатор и дроссель (регулятор потока), соединённые трубопроводом, в котором циркулирует хладагент — вещество, способное кипеть при низкой температуре и меняющее свое агрегатное состояние с газового — в одной части цикла на жидкое — в другой. Разница лишь в том, что в холодильнике «главная партия» отводится испарителю и отбору тепла, а в тепловом насосе — конденсатору и передаче тепла.
Из всего этого следует, что устройство, созданное по принципу холодильника, вполне может забрать для нас тепло там, где оно не нужно, и переместить его туда, где оно нужно. То есть сыграть роль отопителя. Такое устройство и называется тепловым насосом.
Схематично тепловой насос можно представить в виде системы из трёх замкнутых контуров. В первом, внешнем, циркулирует носитель, собирающий теплоту окружающей среды. Во втором контуре циркулирует хладагент (вещество, которое испаряется, отбирая тепло у носителя, и конденсируется, отдавая энергию теплоприёмнику). Роль теплоприёмника в третьем контуре играет вода, циркулирующая в системах отопления и горячего водоснабжения здания.
Системы сбора низкопотенциального тепла.
Удивительная особенность теплового насоса в том, что он может играть роль «умножителя», то есть использовать для обогрева помещений источники низкопотенциального тепла. Иными словами, насос может забирать тепло в таких средах, которые в нашем представлении никак с высокой температурой не ассоциируются. Источниками низкопотенциального тепла могут служить грунт, грунтовые воды, вода озер и рек (в том числе покрытых льдом), а также воздух.
Даже вентиляционные выбросы зданий и сооружений и канализационные стоки могут стать возможными источниками низкопотенциальной тепловой энергии.
Рис 1
Установку «тёплого пола» на бетонной плите начинают с того, что к стене по всему периметру комнаты крепят строительным степлером полиэтиленовую плёнку.
Рис 2
Для теплоизоляции пола используют панели полистирола.
Например, так называемые открытые системы в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используют грунтовые воды, подводимые непосредственно к тепловым насосам. Достоинством открытых систем является возможность получения большого количества тепловой энергии при относительно низких затратах.
Однако использование таких систем возможно не во всех местностях, поскольку далеко не везде грунт обладает достаточной водопроницаемостью, позволяющей запасам воды пополняться. Кроме этого, грунтовые воды должны иметь соответствующий требованиям химический состав (например, низкое содержание железа), что позволяет избежать проблем, связанных с коррозией и образованием отложений на стенках труб.
Рис 3
После установки панелей их стыки проклеивают клейкой лентой, чтобы избежать теплопотерь, а также для того, чтобы цементный раствор бетонной стяжки не протёк между соединениями.
Анализ эффективности различных источников низкопотенциальной тепловой энергии показывает, что в почвенно-климатических условиях России наиболее перспективными являются теплонасосные системы тепло-хладоснабжения зданий и сооружений, использующие в качестве источника тепла низкого потенциала повсеместно доступный грунт поверхностных слоев Земли.
В англоязычной технической литературе такие системы обозначаются как «GНР» — «geothermal heat pumps», геотермальные тепловые насосы. Наибольшее распространение эти системы получили в США, Канаде и в странах Центральной и Северной Европы: Австрии, Германии, Швеции и Швейцарии. Сегодня в мире общая установленная мощность подобных систем приближается к 7 млн. кВт.
Рис 4
Основной элемент «тёплого пола» — полиэтиленовые армированные трубки.
Рис 5
Разводку ветвей отопительных трубок по комнатам дома производят от теплодинамического генератора.
Грунт поверхностных слоев Земли представляет собой тепловой аккумулятор неограниченной ёмкости, тепловой режим которого формируется под воздействием двух основных факторов: солнечной радиации и потока радиогенного тепла, поступающего из земных недр.
В общем случае системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта поверхностных слоев Земли (замкнутые системы) включают в себя грунтовый теплообменник и трубопроводы, соединяющие его с теплонасосным оборудованием. Отбор тепловой энергии от грунта и перенос её к испарителю теплового насоса здесь происходят при циркуляции по теплообменникам теплоносителя с пониженной относительно грунта температурой.
Рис 6
Трубки разворачивают сначала вдоль стен, а затем укладывают змейкой по всей площади.
Рис 7
Каждая ветка трубопровода должна возвратиться к теплодинамическому генератору. В соответствии с функциональным назначением комнаты интервал между витками может быть различным. Например, трубки укладывают более плотно в удалённых комнатах и около входных дверей.
Поясним принцип действия системы на примере одного из самых распространенных её типов «грунт-вода».
Масса, у которой насос забирает низкопотенциальное тепло, должна быть значительно больше массы, которая в результате будет обогрета. Поэтому если источником энергии для нас является грунт, то без масштабных землеройных или буровых работ не обойтись.
В грунт зарывают теплообменник — замкнутую систему труб, в которых циркулирует теплоноситель — смесь воды и антифриза (например, этиленгликоля). Последний нужен, поскольку для функционирования теплонасоса даже принизких температурах требуется, чтобы точка замерзания теплоносителя была ниже нуля.
Рис 8
Трубки относительно жёстки и их надо уметь правильно соединять. По мере разворачивания трубку кропят пластиковыми скобами.
Рис 9
В конце ветки трубку соединяют с муфтой трубопровода, идущего к теплодинамическому генератору. Так оснащают все комнаты дома. Бетонную стяжку заливают после проверки герметичности всех ветвей обогрева пола.
Теплообменник в системе «грунт-вода» может иметь вид как горизонтального коллектора, так и вертикального грунтового зонда.
Горизонтальные грунтовые теплообменники (горизонтальные коллекторы) устраивают, как правило, рядом с домом на небольшой глубине (но ниже уровня промерзания грунта). Для горизонтального коллектора нужен большой участок. Например, для обогрева коттеджа может потребоваться площадь в несколько
сотен квадратных метров (ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 м трубопровода — 20...30 Вт).
Для эффективной эксплуатации системы с горизонтальным фунтовым теплообменником необходимы достаточные теплопоступления с поверхности земли от солнечной радиации. По этой причине участок, где размещены теплообменники, не должен находиться в тени.
В странах Западной и Центральной Европы горизонтальные коллекторы обычно представляют собой отдельные трубы, уложенные относительно плотно и соединенные между собой последовательно или параллельно. Для экономии площади участка были разработаны усовершенствованные типы теплообменников. Например, в США получили распространение теплообменники в форме спирали.
Вертикальные фунтовые теплообменники (вертикальные грунтовые зонды) не нуждаются в участках большой площади и не зависят от интенсивности падающей на поверхность солнечной радиации.
Теплоноситель здесь циркулирует по трубам (металлическим, полиэтиленовым или полипропиленовым), уложенным в вертикальных скважинах глубиной от 50 до 200 м.
Рис 10
Грунт на площадке возле дома снимают на глубину, превышающую глубину промерзания. Площадь наружной сети определяют в зависимости от площади обогрева в доме.
Рис 11
Ветви трубопровода наружной сети фиксируют колышками и подсоединяют к сборным ёмкостям, которые в свою очередь соединены с теплодинамическим генератором. Медные штуцеры трубок приваривают к медным трубкам сборных ёмкостей.
Вертикальные грунтовые теплообменники эффективно работают практически во всех видах геологических сред, за исключением грунтов с низкой теплопроводностью (например, сухого песка или гравия).
Кроме того, циркуляция теплоносителя в вертикальных теплообменниках сопряжена со значительно меньшими затратами энергии на работу циркуляционных насосов, чем в горизонтальных коллекторах. Основное же преимущество вертикальных теплообменников в том, что на их основе можно создавать грунтовые теплообменники практически неограниченной тепловой мощности, лимитируемой только технологическими возможностями бурового оборудования и стоимостными показателями.
Конструктивно вертикальные грунтовые теплообменники представляют собой, как правило, две параллельные трубы, соединённые в нижней части в форме латинской буквы «U». В одну скважину помещают одну или две (реже три) пары таких труб. Именно такие теплообменники наиболее широко используются в Европе. Другой тип вертикального теплообменника — коаксиальный (концентрический), который представляет собой две трубы различного диаметра, вставленные друг в друга.
Рис 12
Завершив монтаж установки, сеть заполняют хладагентом, после чего проверяют герметичность системы.
Рис 13
После проверки системы делают обратную отсыпку площадки — вначале слоем песка, затем растительным грунтом. По окончании земляных работ заметными остаются только места установки сборных ёмкостей.
И горизонтальный коллектор, и вертикальный зонд соединяют с внутренним контуром системы, в котором циркулирует хладагент с низкой точкой кипения. Температура теплоносителя достаточна, чтобы хладагент перешёл в газообразное состояние, забрал тепло у теплоносителя, вновь охладив его. После этого теплоноситель опять устремляется вглубь земли, чтобы подогреться от грунта.
А во внутреннем контуре в это время компрессор закачивает в конденсатор газообразный хладагент, где тот, переходя в жидкое агрегатное состояние, передаёт собранное тепло в отопительный контур. Нагретая в нём жидкость используется для отопления здания.
Следует заметить, что существуют системы использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли, которые нельзя однозначно отнести к открытым или замкнутым. Например, в глубокую скважину помещают насос, посредством которого вода подаётся к испарителям теплового насоса. Возвращается вода в ту же скважину, где под действием гравитационных сил происходит её циркуляция и подпитка теплом от грунта. В этом случае открытая по первичным признакам система работает подобно замкнутой.
Обычно скважины такого типа используют и для снабжения здания питьевой водой. Однако подобная система может работать эффективно только в грунтах, которые обеспечивают постоянную подпитку скважины водой. Если водоносный горизонт залегает слишком глубоко, для функционирования системы нужен мощный насос, требующий повышенных затрат энергии.
Об эффективности теплонасосных систем теплохладоснабжения.
Ключевым для оценки эффективности теплового насоса является коэффициент преобразования энергии, называемый также отопительным коэффициентом (иногда его некорректно называют КПД теплового насоса). Этот коэффициент вычисляют как отношение отдаваемой тепловой мощности к потребляемой насосом электрической мощности.
Очевидно, что устройство потребляет электроэнергию для работы компрессора и двух циркуляционных насосов во внешнем и отопительном контурах. Однако энергия, потраченная на это, в несколько раз меньше энергии, доставленной тепловым насосом в отопительный контур в виде тепла.
Рис 14
Завершающий этап работы - подключение наружных сетей, ветвей отопления дома, электрических цепей и блоков управления системой.
Никакого нарушения законов термодинамики здесь нет. Вспомним, что тепловой насос не создаёт тепло, а лишь переносит его с места на место. Именно поэтому отопительный коэффициент нельзя называть КПД, а тепловой насос — воплощением мечты о вечном двигателе.
Отопительный коэффициент вычисляют для так называемых рабочих точек. Например, при температуре теплоносителя 0°С и воде в отопительном контуре нагретой до +35°С, отопительный коэффициент теплового насоса будет равен примерно 4...5. Иначе говоря, мы получим энергии в виде тепла в 4...5 раз больше, чем затратим. При той же температуре теплоносителя (0°С), но воде в отопительном контуре, нагретой до +55°С, отопительный коэффициент окажется меньшим и составит порядка 2,5.. .3,1.
Рис 15
Теплонасосная система оснащена нагревателем ёмкостью 300 л.
Эффективного отопления с помощью теплового насоса можно добиться, лишь полностью переоборудовав здание с учётом самых современных энергосберегающих технологий. Во-первых, необходима высококачественная теплоизоляция помещений, исключающая малейшие утечки тепла. Во-вторых, температуры +35°С в отопительной системе окажется вполне достаточно, если использовать так называемое лучистое тепло. К таким системам относятся «тёплые полы», а также излучающие тепло стенные и потолочные панели. На фото 1...15 показаны основные технологические моменты по монтажу теплонасосной системы теплоснабжения жилого дома.
«Дом» 4/2010
|
