Тепловой насос Buderus

Тепловой насос (ТН) – это термодинамическая установка, в которой тепло от низко-потенциального источника передается к высокопотенциальному, при этом электрическая энергия расходуется только на работу привода (в нашем случае – компрессора). Фактически, геотермальная система – это холодильник «наоборот». Тепловые насосы функционируют по той жe схеме – но с точностью до наоборот. И здесь транспортировку тепла осуществляет так называемый хладагент – жидкость со сверхнизкой температурой кипения, которая, поглощая, например, окружающее тепло из грунта, испаряется. Компрессор сжимает этот газообразный теплоносительи повышает его давление. При этом температура увеличивается до необходимого для отопления уровня. Газообразное вещество отдает полученное тепло отопительной воде и снова превращается в жидкость. Расширительный клапан понижает давление до исходной величины – теплоноситель опять охлаждается,и цикл начинается с самого начала:
энергия снова может отбираться и передаваться в систему отопления.Таким образом, можно получить низкотемпературный теплоноситель для отопления и приготовления горячей воды.

«Умножитель» тепла: из истории тепловых насосов

В принципе работы теплового насоса лежит цикл Карно, описанный в его диссертации в 1824 г. Первые практические разработки проводились ещё в 1852 г. Вильямом Томсоном (впоследствии – лорд Кельвин). Установка была названа умножителем тепла и показывала, как можно холодильную машину эффективно использовать для отопления.В обосновании своего предложения Томсон указывал, что ограниченность энергетических ресурсов не позволит непрерывно сжигать топливо в печах для отопления и что его умножитель тепла будет потреблять меньше топлива, чем обычные печи. Первый патент на технологию тепловых насосов был выдан в 1912 году в Швейцарии. Дальнейшее своё развитие теплонасосные установки получили только в 20-х и 30-х годах XX века.
Одной из старейших ТН систем считается здание Объедененной штабквартиры освещения в New Haven, штат Connecticut (США), которая работает начиная с 1930 года.
Первая крупная теплонасосная установка в Европе была введена в действие в Цюрихе в 1938-1939 гг. В ней использовались тепло речной воды, ротационный компрессор и хладагент. Она обеспечивала отопление ратуши водой с температурой 60°С при мощности 175 кВт. Имелась система аккумулирования тепла с электронагревателем для покрытия пиковой нагрузки. В летние месяцы установка работала на охлаждение.Толчок к развитию системы ТН последовал после энергетических кризисов 1973 и 1978 годов. В начале своего развития системы ТН устанавливались в домах высшей ценовой категории, но за счет применения современных технологий тепловые насосы стали доступны многим людям. На сегодняшний день масштабы внедрения тепловых насосов в мире ошеломляют. Ежегодно количество производимых теплонасосных установок увеличивается от 30 до 40%, а в некоторых странах до 100%.

Внешний контур геотермического теплового насоса

Грунт является неиссякаемым источником тепловой энергии. При «от боре» тепла Земли используют ее верхний слой, находящийся на глубине до 100 метров от поверхности. С точки зрения теплообмена этот слой грунта находится под воздействием лучистой энергии Солнца, радиогенного тепла из глубинных слоев Земли, конвективного теплообмена с атмосферным воздухом и теплопереноса за счет различных массообменных процессов (дождь, таяние снега, грунтовая вода и т. д.). Отметим, что теплопроводность грунта не является величиной постоянной в течение года. Она зависит от типа грунта, влажности, агрегатного состояния влаги в грунте и температуры. Причем особенно сильно влажность меняется при замерзании грунта. На глубине более 8 метров температура практически постоянна в течение года (изменения составляют только 1/20 изменений на поверхности). В Украине температура грунта около 10°С.

Условные обозначения:

AB – резервуар-уловитель; E – сливной кран; EWP – геотермический тепловой насос; GT1 – датчик температуры обратного трубопровода отопления; GT2 – датчик температуры наружного воздуха; GT4 – датчик температуры в прямом трубопроводе контура отопления со смесителем; GT5 – датчик температуры в помещении; HK0 – контур отопления без смесителя (радиаторы); HK1 – контур отопления со смесителем (система отопления пола); W – место подключения холодной воды; MAG – мембранный компенсационный бак; MAN – маномет; PS – буферный бак; HW – гидравлическая стрелка; P2 – циркуляционный насос системы отопления; P3 – рассольный насос; SV – предохранительный клапан; SV1 – трёхходовой смеситель; TB1 – термореле; UV – перепускной (байпасный) клапан; WW – место подключения горячей воды; WS – водонагреватель SH 290/370/450; 19 – источник тепла (например, грунтовый зонд).

Использование буферной емкости

Применение буферных емкостей, как правило, связано с привязкой ТН к уже существующей системе отопления без какого-либо точного знания гидравлических особенностей самой отопительной системы. Но не только… Буферная емкость позволяет использовать тепловые насосы в периоды низких суточных тарифов на электроэнергию. А также, в случае выбора мощности теплового насоса на максимальную отопительную нагрузку, уменьшить количество стартов компрессора для надежной и долгосрочной работы «сердца» теплового насоса. Однако у такой схемы есть недостатки:
• повышается инертность системы;
• если буфер применяется в качестве разделительного накопителя горячей воды, то при работе ТН происходит смешивание содержимого бака. Из-за этого температура в прямом трубопроводе на выходе из ТН повышается, что приводит к уменьшению годового коэффициента эффективности;
• буферные емкости увеличивают инвестиционные и эксплуатационные расходы.Если требуется буфер, то, исходя из эмпирического правила, следует применять на каждый кВт отопительной нагрузки от 10 до 20 литров объёма бака.