Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли посредством теплонасосных установок давно привлекает внимание специалистов. За рубежом, в частности, в США и Канаде, в странах Скандинавии, в Германии, Швейцарии подобные системы получили достаточно широкое распространение. Такие системы реализованы и в нашей стране. Это, например, многоэтажное жилое здание в Москве в микрорайоне Никулино-2, в котором низкопотенциальная тепловая энергия земли и вентиляционных выбросов используется для горячего водоснабжения, сельская школа в Ярославской области.
Более того, если до недавних пор такие проекты осуществлялись, в основном, в регионах, где имеются горячие геотермальные воды, то сегодня всё чаще встаёт вопрос о таких технологиях, которые позволили бы использовать заключённое в недрах Земли тепло повсеместно. Идея одной из таких технологий была впервые выдвинута американскими учёными ещё в начале 70-х годов. Эта технология получила название «hot dry rock», то есть «горячие сухие горные породы». В её основу положено давно известное явление: по мере углубления в недра Земли температура растёт – примерно на 3 градуса каждые 100 метров. Американские геофизики предложили пробурить на глубину в 4-6 километров 2 скважины с таким расчётом, чтобы через одну закачивать внутрь холодную воду, а через другую отводить разогретый пар – ведь температура на такой глубине достигает 150-200 градусов Цельсия. Пар может быть использован как для производства электроэнергии, так и для отопления.
Основная масса тех, кто ищет дешевое отопление, хотят приблизиться по стоимости ежемесячных платежей к магистральному газу. Немаловажно и минимальное обслуживание системы отопления. Конкурентов геотермальному тепловому насосу в этом отношении нет.
Динамика рынка тепловых насосов за последние три десятилетия (как и солнечных коллекторов, и устройств, работающих на биомассе) показывает некоторую неравномерность развития, которая обусловлена многими факторами, главный из которых — повышение стоимости традиционных видов топлива. До сих пор широкому распространению тепловых насосов препятствует слабая информированность потенциальных инвесторов о инвестиционной привлекательности данного типа отопительных систем и восприятие теплового насоса, как «электрического отопления» с высокими издержками на отопление. Однако в настоящее время правильно спроектированные и установленные тепловые насосы имеют оптимальные решения по теплоснабжению, снижают издержки на отопление и вносят свой вклад в охрану окружающей среды.
Первичными источниками для производства тепловой энергии в тепловых насосах могут выступать геотермальные источники, грунт (зонт или коллектор) и воздух (в виде моноблока или сплита).
Рассмотрим принцип работы теплового насоса. В основе принципа работы тепловых насосов лежит процесс аккумулирования низкотемпературного тепла при испарении и дальнейшей отдачи энергии при последующей конденсации, обратный тому, который происходит в холодильных установках.
Принцип работы теплового насоса отображен в цикле Карно, опубликованном в его диссертации. Практическую теплонасосную систему предложил лорд Кельвин в 1852 году под названием "умножитель тепла".
Рис. 1 Принципиальная схема теплового насоса
В соотвествии с рис.1 принципом работы, тепловой насос берет тепловую энергию, перекачивает ее, и передает в иное место.
В реверсивных кондиционерах, работающих на отопление, расположенный снаружи строения блок забирает тепло из воздуха и дает внутреннему блоку в здание. Но, при температурах около плюс 5 градусов, внешний блок установки начинает покрываться инеем и льдом из конденсата воздуха, что убавляет эффективность теплопередачи. Для удаления льда кондиционер начинает временами отапливать внешний блок электричеством, при этом мощность отопления падает, расход электроэнергии возрастает. При последующем понижении температуры в итоге эффективность отопления на таких установках становится равной нулю, отопление прекращается.
При отоплении геотермальными теплонасосами (рис.2), внешний блок вкапывается в землю либо погружается в озеро рядом со зданием. При этом, независимо от температуры воздуха во дворе, наружный блок остается вольным от льда, эффективность теплопередачи остается огромной.
рис 2. Принципиальная схема системы теплоснабжения котеджа с применением теплового насоса
Принцип отопления геотермальными тепловыми насосами основан на сборе тепла из земли либо воды, и передаче собранного тепла отоплению строения. Для сбора тепла незамерзающая жидкость течет по трубе, расположенной в почве либо водоеме, к тепловому насосу. Тепловой насос, сходственно холодильнику, отбирает около 8 °С у незамерзающей воды, при этом жидкость охлаждается. Жидкость опять течет по трубе, восстанавливает свою температуру и поступает к тепловому насосу. Отобранные тепловым насосом градусы передаются системе отопления и/или на обогрев горячей воды [3, 4].
Тепловая энергия есть у любого предмета с температурой выше минус 273 градуса Цельсия - так называемый "абсолютный ноль". То есть тепловой насос может отобрать тепло у земли, водоема, льда, подземной горы, плывуна и т.д.
Неоспоримые преимущества такого рода насосов обусловили их актуальность для разных регионов. Главными достоинствами оборудования считаются:
Максимальная стабильность характеристик (КПД, тепловая мощность), которые не зависят от воздействия внешней среды (погодных условий, времени года). Это обусловлено тем, что температура грунта в скважинах не меняется – она постоянна;
Высокие показатели, обеспечивающие высокую эффективность. На 1 кВт электрической энергии приходится 3-5 кВт мощности тепловой энергии;
Щадящее отношение к окружающей среде и ландшафту при монтаже оборудования;
Возможность компактного размещения. Скважины не требуют большой площади участка, нарушения целостности фасада и интерьера, у них не имеется наружных блоков;
Большой эксплуатационный срок, долговечность. Заводские грунтовые зонды имеют срок эксплуатации порядка 100 лет. Компрессор, основной узел теплового насоса, который легко меняется, проработает 30 лет;
Простота использования. Не требует повышенного внимания к себе;
Универсальность применения оборудования – насос позволяет, и охлаждать, и нагревать необходимую площадь;
Обеспечение максимального уровня комфорта в доме (низкотемпературное отопление – теплый пол), отсутствие шума;
Минимум колебаний влажности и температуры;
Освобождается территория, требующаяся для размещения узлов системы отопления;
Двойной зонд в виде буквы «U» обеспечивает дублирование зондов в скважине, увеличенный съем тепловой энергии, малое гидравлическое сопротивление. Зонд будет надежно защищен от повреждений после того, как скважину заливают термо раствором;
Экологическая чистота данных методов кондиционирования или обогрева. Нет выброса в атмосферу углекислого газа, вредных продуктов горения;
Абсолютная пожаро- и взрывобезопасность. Для эксплуатации не требуется специальное оборудование;
Использование небольшого количества электроэнергии, что дает низкие эксплуатационные затраты. К примеру, геотермальный тепловой насос (17 кВт) подходит для отопления жилого дома в 350 кв. м – потребление электричества составит до 5 кВт в час.
Максимальная автономность и независимость, нет необходимости в газопроводе. Не возникает зависимости от поставок и цен на жидкое топливо или газ – насос работает от электричества.
При использовании таких насосов не придется в срочном порядке освобождать лишнюю территорию для того чтобы поместить дымоход, котельную, специальное хранилище для топлива.
Сегодня в мире успешно работают десятки миллионов теплонасосных установок (ТНУ) различного функционального назначения. Продажа ТНУ уже в 2004 г. превысила сумму продаж вооружения в мире. В США эксплуатируется около 19 млн ТНУ, из них 60% в жилищно-коммунальном секторе. В Японии ежегодно продается до 500 тыс. ТНУ в год, в основном это реверсивные установки типа «воздух-воздух» мощностью от 2 до 16,5 кВт. Еще только развивающийся рынок Китая за двенадцать лет достиг объема 18 млн работающих тепловых насосов, обогнав Японию и страны Европы.
В Швеции - стране теплонасосных технологий, на сегодняшний день из коммунальных систем отопления и горячего водоснабжения практически полностью вытеснены теплогенераторы, сжигающие органическое топливо, и более 50% отопления жилищного фонда осуществляется с помощью ТНУ. К 2020 г. по прогнозам Международного энергетического агентства (IEA) до 75% отопительных установок в развитых станах мира будут работать на базе энергосберегающей теплонасосной технологии.
Если в развитых и развивающихся странах счет эксплуатируемых ТНУ ведется на сотни тысяч и миллионы, то, к сожалению, в Украине внедрены лишь единичные образцы. Трудно указать какое-либо другое направление развития новой и перспективной техники и технологии, которое находилось бы в столь разительном противоречии, как со своими потенциальными возможностями, так и в сравнении с количеством работающих установок в других странах мира.
Кроме объективных причин, не способствовавших внедрению энергосберегающих технологий в прошлом веке (развитие теплоэнергетики по пути теплофикации и централизованного теплоснабжения, низкая стоимость газа и казавшаяся безграничность его запасов, финансирование децентрализованного теплоснабжения по остаточному принципу и др.), не последнюю роль сыграли и сегодня продолжают играть субъективные причины. Прежде всего, это противодействие, оказываемое производителями и сторонниками традиционных теплогенераторов, а также настороженность пользователя к новым непривычным установкам, отбирающим энергию у среды, температура которой может быть даже отрицательной, и использующим эту энергию для нагрева теплоносителя до температуры 60-80 °С.
В итоге применение тепловых насосов в России увеличивается в последние годы. Для популяризации и развития теплоснабжения с использованием тепловых насосов обязательна необходима государственная поддержка.
Литература
Корягин М.В. О необходимости комплексной оценки энергроэффективности зданий/ М.В. Корягин// 15-й Международный научно-промышленный форум "Великие реки’2013". Труды конгресса. Т.3. - Н.Новгород, ННГАСУ, 2014. С. 30-32.
Корягин М.В. Необходимость инжинирингового подхода к энергосбережению на объектах недвижимости/ М.В. Корягин// 16-й Международный научно-промышленный форум "Великие реки’2014". Труды конгресса. Т.3. Н.Новгород, ННГАСУ, 2015. С. 88-91.
Корягин М.В. Использование тепловых насосов в системах теплоснабжения/ М.В. Корягин, Е.А. Середенина// Международный студенческий научный вестник. 2016. № 3-1. С. 143-145.
Корягин М.В. Особенности проектирования тепловых насосов при строительстве жилых зданий/ М.В. Корягин, Е.А. Середенина// 18-й Международный научно-промышленный форум "Великие реки’2016". Труды конгресса. Т.2. Н.Новгород, ННГАСУ, 2016. С. 169-171.