Пример реализации теплового насоса

Итак, вы строите загородный дом. Естественно, возникает необходимость в снабжении его отоплением и горячей водой. Там, где невозможно получать централизованное тепло, применяются автономные отопительные системы, в которых используются следующие источники: дизельные котлы, котлы на твердом топливе, электрические или газовые котлы. Применяется также прямое электроотопление с электрическими «теплыми полами» или конвекторами.

Специфика эксплуатации теплогенераторов, устанавливаемых в загородных домах, предъявляет к ним следующие требования: надежность, безопасность, легкость управления, простое и нечастое сервисное обслуживание, защита от неквалифицированных действий пользователя, энергетическая эффективность, экологичность. Эти требования вытекают из того факта, что эксплуатацией теплогенерирующей установки будет заниматься человек, не обладающий специальными знаниями и навыками. Кроме того, часто теплогенерирующие установки не находятся на сервисном обслуживании и эксплуатируются в состоянии «как есть».

Во многих случаях существует ситуация, когда подведенных к участку киловатт на отопление всего дома не хватает, цены на дизельное топливо высоки, газовая магистраль проложена за несколько десятков километров от поселка, что делает ее подведение невозможным из-за высокой стоимости работ или длительного срока их выполнения. Тогда на помощь приходят тепловые насосы, которые способны обеспечивать дом дешевым теплом и горячей водой круглый год. В мире технология тепловых насосов известна уже с конца XIX в., а в частных домах применяется последние 30 лет.

Использование геотермальных тепловых насосов в качестве источника теплоснабжения отвечает всем указанным выше требованиям к системе отопления и обеспечивает одновременно очень высокий уровень энергосбережения. Эти устройства распространены на всем земном шаре, кроме России. Это объясняется существующими у нас обширными запасами полезных горючих ископаемых, что определяет их низкую цену. В развитых странах тепловые насосы применяются не только для отопления домов и ГВС. Они также способны работать в реверсивном режиме и охлаждать воздух в помещении, работая совместно с системой принудительной вентиляции. Делает это небольшое устройство, напоминающее холодильник. Его можно разместить в любом подсобном помещении, на кухне или в санузле, выделив 2–3 м2.

 

НЕДОСТАТКИ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛА

 

Автономные дизельные котельные. Основным преимуществом использования дизельного топлива в качестве источника тепла является простая конструкция горелки котла и автономность работы. Недостатками дизельных котельных являются: дорогостоящее топливо, необходимость организации топливного хозяйства, наличие вредных выбросов в атмосферу, пожароопасность. Кроме того, дизельная горелка очень чувствительна к качеству топлива, что требует наличия хороших фильтров очистки топлива с постоянным их обслуживанием. Для дизельного котла требуется отдельное помещение котельной, оборудованное вентиляцией и контрольными устройствами. Регулярное обслуживание дизельной котельной – обязательное условие безопасной и устойчивой эксплуатации.

Котельные на твердом топливе. Основной недостаток твердого топлива – неавтономность работы, что органичивает применение таких котельных. Котельные с автоматической подачей топлива существуют, но они очень дороги и сложны.

Газовые котельные. Сегодня отопление при помощи природного газа – самый дешевый способ с точки зрения эксплуатации. Недорогие и надежные в эксплуатации газовые котлы широко распространены. Стоимость организации газовой котельной в загородном доме достаточно высока, если включить в расчет все необходимые расходы (согласование и проектирование, прокладку газовой магистрали, удовлетворение жестких требований к помещению котельной, установку сигнализаторов загазованности). Кроме того, газ – горючее и взрывоопасное вещество, поэтому регулярное и качественное сервисное обслуживание не только обязательно – от него зависит безопасность проживания в доме. Так выглядит ситуация при наличии газовой магистрали рядом с домом. Если магистрали нет и в ближайшее время не будет, то можно установить емкость со сжиженным газом. При этом владелец дома должен четко представлять себе, что он является владельцем полноценного газового хозяйства с очень жесткими требованиями по безопасной эксплуатации. Рядом с домом находится емкость, содержащая 4–6 т легковоспламеняемого и взрывоопасного вещества. Цена сжиженного газа гораздо выше, чем природного, и выбор между сравнительно безопасной, но немного более дорогой соляркой, и очень опасным сжиженным газом неочевиден.

Отопление при помощи электроэнергии. Использование электрической энергии для отопления очень привлекательно в силу простых и дешевых конструкций нагревателей, отсутствия дымовых труб и вредных выбросов, легкости обслуживания и ремонта теплогенератора. При этом безопасность эксплуатации обеспечивается установкой автоматов защиты и УЗО (устройство защитного отключения) в электрическом щите. Отопление при помощи электрической энергии максимально отвечает требованиям, изложенным в начале статьи.

Основными недостатками электрического отопления являются: высокая стоимость электроэнергии; частое отсутствие необходимых электрических мощностей.

 

ПРЕИМУЩЕСТВА ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Применение тепловых насосов (ТН) позволяет использовать все преимущества электрического отопления, уменьшив при этом потребление электрической энергии в 3–4 раза. В этом случае электроэнергия расходуется не на прямой нагрев отопительной воды, а на перекачивание тепла из внешнего контура и преобразование его из низкотемпературного в высокотемпературное, пригодное для использования в обычной системе отопления.

Преимущества тепловых насосов:

  •  

    экономия энергии в разы большая, чем при использовании обычных методов энергосбережения (термостаты, погодозависимое управление, понижение температуры теплоносителя);

  • отсутствие вредных выбросов;

  • безопасность;

  • простота обслуживания (причем, требований к обязательному регулярному обслуживанию нет);

  • способность работать автономно, без вмешательства пользователей. Они имеют погодозависимое управление, поэтому режим работы автоматически выбирается в зависимости от температуры на улице.

 

ПРИНЦИП РАБОТЫ

 

Теплонасосная система отопления состоит из трех контуров, связанных между собой теплообменниками.

Внешний контур обеспечивает поступление низкотемпературного тепла из земли, водоема или воздуха. Земляной или водный контур представляет собой систему пластиковых труб, которые укладываются на участке на глубину ниже промерзания грунта (1,5–2 м), на дно водоема, или опускаются в скважину на глубину до 100 м и более. По нему при помощи циркуляционного насоса по кругу гоняется незамерзающая жидкость, которая доставляет низкопотенциальное тепло внешней среды к установке теплового насоса.

Фреоновый контур с компрессором и необходимой холодильной автоматикой (собственно сам тепловой насос). Здесь происходит испарение летучего вещества – фреона – в теплообменнике, называемом испарителем, за счет подвода низкопотенциального тепла от внешнего контура. Пары фреона попадают в компрессор, где происходит их резкое сжатие и, соответственно, нагрев. Далее горячий пар через второй теплообменник, называемый конденсатором, отдает свое тепло теплоносителю системы отопления.

Система отбора тепла (система отопления).

Эксплуатация ТН для пользователя мало чем отличается от эксплуатации маломощного электрического котла. Благодаря малому электрическому потреблению, ТН легко подключается к резервным источникам электроснабжения – дизель-генератору, ветрогенератору.

 

ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ

 

Для примера рассмотрим систему отопления и ГВС двухэтажного загородного дома площадью 130–150 м2. Мощность ТН рассчитывается так же, как и мощность любого другого котла. При соблюдении современных требований по сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций требуемая тепловая мощность составит 10–12 кВт. Потребляемая электрическая мощность – 2,5–3 кВт. ТН может быть выполнен как в однофазном, так и трехфазном исполнении.

Техническая реализация системы отопления в общих чертах может выглядеть следующим образом.

Горизонтальный геотермальный контур ТН. Длина геотермального контура для 10 кВт тепловой мощности в среднем 400 м. Общая длина траншеи для укладки трубы 200 м. Минимальное расстояние между соседними трубами 0,8 м. Укладка труб геотермального контура осуществляется на глубине 1,2–1,5 м. Для уменьшения гидравлического сопротивления геотермального контура он делится на отдельные петли по 200 м, которые соединяются в коллекторе, устанавливаемом в доме или на улице, и соединяются с ТН.

Скважинный контур. Если доступная площадь у здания не позволяет выполнить горизонтальный контур требуемого размера, то выполняется комбинированный контур, состоящий из скважин и горизонтальных участков между ними. Стоимость бурения скважин для ТН ниже стоимости скважин на воду за счет отсутствия обсадной трубы на всю длину скважины. После установки пластиковых труб в скважину она заполняется бетонитом или буровым раствором. Общая длина скважин для ТН мощностью 12 кВт – не менее 150 м.

Водный контур. Внешний контур, укладываемый на дно водоема, – идеальный вариант для ТН, т.к. в воде происходит постоянный приток тепла за счет движения воды. Для получения 12 кВт на отопление придется уложить по дну 400 п/м трубопровода. Недостатком такого контура является возможность его повреждения, если он залегает в области активного движения водного транспорта или рыбной ловли.

Воздушные тепловые насосы. ТН, забирающие тепло из воздуха, вполне эффективны в южных районах, в средней полосе их применение ограничено. Дело в том, что зимой они могут работать лишь в составе бивалентных систем и при температуре не ниже 0...–5 °С. При более сильных морозах их мощность резко снижается, да еще вентилятор обледеневает и приходится, остановив насос, оттаивать наледь.

Система отопления. Для работы с ТН может использоваться любая система отопления, но для повышения энергетической эффективности рекомендуется устройство системы отопления типа «теплый пол» (коэффициент эффективности при этом может достигать 4–5, т.е. 1 кВт потраченной электроэнергии даст 4–5 кВт тепловой энергии). При радиаторном отоплении коэффициент эффективности будет пониже и составит 3–3,5. Регулирование температуры в помещениях может быть организовано по экономичному варианту при помощи двух датчиков температуры (на 1 и 2 этажах) или с независимым регулированием температуры в каждом помещении.

Горячее водоснабжение. При помощи ТН реализация ГВС возможна в двух вариантах.

Используется обычный бойлер с электрическим ТЭНом, на вход и выход которого заводится циркуляционная петля от дополнительного теплообменника снятия перегрева, установленного в ТН. При этом зимой, когда компрессор ТН работает продолжительное время, фреон с выхода компрессора нагревает горячую воду до 65–70 °С практически без использования электроТЭНа. Летом используется электрический нагрев.

Используется бойлер косвенного нагрева. Переключение между режимом нагрева бойлера и отоплением осуществляется трехходовым клапаном, управляемым датчиком температуры бойлера. В этом варианте нагрев горячей воды от теплового насоса происходит до 50 °С и возможен и при отключенном отоплении.

Система кондиционирования. Наличие геотермального внешнего контура позволяет сделать в отдельных помещениях систему пассивного кондиционирования с использованием систем панельного охлаждения или фанкойлов, что повысит комфорт в летний период. Электропотребление такой системы кондиционирования определяется циркуляционным насосом и составляет 130–180 Вт.

 

ЭКОНОМИКА

 

Расходы на отопление с использованием топливного котла. Сегодня стоимость 1 л дизельного топлива составляет в среднем 20 руб. Для получения 1 кВт/ч тепловой энергии потребляется примерно 0,1 л солярки, т.е. 1 кВт/час будет стоить 2 руб. Ориентировочно, для отопления 13 м2 (до 40 м3) хорошо утепленного помещения требуется 1 кВт мощности. Следовательно, для дома площадью 130 м2 потребуется котел мощностью 10 кВт.

Если бы котел работал непрерывно, то в год понадобилось бы: 10 кВтх7764=77 640 кВт/ч (в Ленобласти отопительный сезон длится около 7700 ч/год). Принимая во внимание, что котел будет работать примерно 42% всего времени (или на половину максимальной мощности), умножаем 77 640 кВт/ч на 0,42 и получаем 35945 кВт/ч.

Теперь рассчитаем затраты энергии за сезон на стоимость 1 кВт/час при использовании топливного котла и получаем затраты на отопление за весь отопительный сезон: 35945х2 руб.=71 890 руб./год Аналогично рассчитываются и другие системы отопления.

Расходы на отопление с использованием магистрального газа. Стоимость природного газа в Ленобласти –2,36 руб./м3. Для производства 1 кВт/ч тепловой энергии расходуется 0,105 м3/час. Таким образом, стоимость производства 1 кВт/ч тепловой энергии при использовании природного газа равна примерно 0,25 руб.: 35945х0,25=8986,25 руб./год.

Расходы на отопление с помощью электрического котла. Стоимость 1 кВт/ч в среднем составляет 2,4 руб.: 35945х2,4=86 268 руб./год.

Расходы на отопление с использованием сжиженного газа. На сегодня ТН способен конкурировать по цене с системой отопления на сжиженном газе. Стоимость ее установки и пусконаладки для индивидуального дома сопоставима с ценой ТН и его монтажа. Также тепловой насос выигрывает и в ежегодных эксплуатационных затратах. Стоимость 1 л сжиженного газа на сегодняшний день – 7 руб. 1 л топлива дает 7 кВт тепловой энергии. Следовательно, 1 кВт, полученный от сжиженного газа, составляет 1 руб. Отсюда получим, что в год мы затратим: 35 945 кВт/ч руб. = 35 945 руб./год.

Расходы на отопление с использованием теплового насоса. ТН до 70% энергии получает из окружающей среды и на 1 кВт электроэнергии дает 3–4 кВт тепловой энергии. Для получения тепловой энергии в 1 кВт/ч тепловому насосу достаточно в среднем 0,25 кВт/ч электроэнергии. 1 кВт/ч электроэнергии стоит примерно 2,4 руб. Для ТН 1 кВт тепловой энергии будет стоить минимум 0,6 руб. Таким образом, за год мы получим: 35945х0,6 руб.=21 567 руб./год.

Полученные сведения сведены в диаграмму. В таблице произведено сравнение затрат на отопительную установку для дома площадью 130–150 м2 при существующем соотношении цен на энергоносители.

Срок окупаемости отопительной установки на базе геотермального теплового насоса – менее 3 лет.

В последующем эксплуатация геотермальной отопительной установки обойдется в 3 раза дешевле, чем эксплуатация электрокотла, и в 4 раза дешевле, чем эксплуатация котельной на сжиженном газе или дизельном топливе.

Приведенные расчеты доказывают целесообразность и выгодность тепловых насосов по сравнению с другими автономными системами отопления, кроме магистрального газа. К недостаткам тепловых насосов следует отнести их невозможность работы при отсутствии электроэнергии либо при нестабильном электроснабжении сетей (особенно актуально для российских сетей), а также немалые первоначальные затраты. Но, как известно, чем больше первоначальные вложения, тем выше будущие дивиденды.

 

Мы реализуем теплообменники, компрессоры и прочее холодильное оборудование с 2001 года. 10 лет для компании – возраст, достаточный для того чтобы набраться опыта и иметь силы продолжать развиваться дальше;

Мы не только поддерживаем долгосрочное взаимовыгодное сотрудничество с партнерами за счет отличных условий, но и привлекаем новых поставщиков, предоставляющих нам холодильные машины, воздухоохладители и испарители под реализацию;

Нам доверяют дилерские полномочия производители с мировым именем, известные высочайшим качеством и надежностью холодильного оборудования и сопутствующих систем обслуживания.