Альтернативные источники энергии. Тепловой насос

Тем не менее, эти затруднения вполне решаемы. Для перехода на новую технологию существуют гибкие финансовые схемы: кредитные  линии Экспортно-Импортного Банка  США, ипотечное кредитование, лизинг оборудования. Кроме того, целый ряд отечественных банков выразили готовность принять участие в программах финансирования геотермальных технологий. Так что при желании стать владельцем геотермальной тепловой машины может практически любой заказчик. 

4. СИСТЕМЫ НА БАЗЕ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Источники энергии для тепловых насосов.

Источниками энергии для тепловых насосов  являются:

1. Земля - является самым большим аккумулятором энергии из всех доступных человечеству. На глубине от 10 метров температура земли положительна и постоянна в течение года (от +5 0С для г Хабаровск)). Забор тепла земли осуществляется через теплообменники, представляющие собой коллекторы пластиковых труб с циркулирующим раствором воды или антифриза. Гарантийный срок службы такого теплообменника составляет 50 лет! Системы с тепловыми насосами и подземными теплообменниками называются геотермальным тепловым насосом.

2. Вода   

-  Грунтовая: имеет постоянную температуру (обычно +7-8 С). Если имеются близлежащие источники достаточного объема - инсталляция экономичнее земляных теплообменников. Обычно применяются один или два колодца.   

-  Стоки: промышленные, канализационные и т.п. Стоки имеют относительно высокую температуру, поэтому тепловые насосы работают с высокой эффективностью.   

-  Вода из водоемов, рек. Петли труб также могут погружаться на дно. Такая инсталляция одна из самых экономичных.

3. Воздух. Классическими тепловыми насосами, работающими с двумя воздушными средами являются кондиционеры (воздух-воздух). Тепловые насосы (вода-воздух) переносят избыточное тепло из помещения в водяную среду. Таким образом они охлаждают помещения летом или переносят избыточное тепло из одного помещения в другое, осуществляя его обогрев. (Например из цеха пекарни в офисные помещения).

  Геотермальный тепловой  насос.

Никогда еще сырье для выработки энергии не было таким дефицитным ресурсом, как в XXI веке. Одна из технологий, позволяющих снизить остроту энергетического кризиса - технология геотермальных тепловых насосов (ГТН). Основана она на использовании энергии Земли, самого большого из доступных человечеству естественных аккумуляторов.

В недрах температура всегда стабильна и  составляет около 5-10╟С. Таким образом, в Земле сосредоточено колоссальное количество низкопотенциального тепла.

Геотермальный насос при обогреве примерно на 66 - 75% использует возобновляемую солнечную энергию, аккумулированную в земле и на 25-34% - электрическую энергию. Таким образом, он в 3 - 4 раза эффективнее оборудования на электрическом сопротивлении. ГТН также экономичны при работе в режиме охлаждения, т.к. сбрасывают избыточное тепло в землю (относительно холодную среду).

Геотермальный тепловой насос (ГТН) - это система, включающая тепловой насос, грунтовый теплообменник (обычно регистр из пластиковых труб с циркулирующей незамерзающей  жидкостью) и контур распределения внутри здания. Такие системы могут иметь дополнительно водонагреватели, увлажнители и другие устройства, обеспечивающие климатические потребности всего помещения.

Системы ГТН обеспечивают полное кондиционирование - обогревают, охлаждают и регулируют влажность. Они также могут снабжать горячей водой. Одна такая установка успешно заменяет печь, водонагревательный котел и кондиционер. ГТН имеют существенные преимущества по сравнению с традиционными системами микроклимата. Область применения ГТН практически не ограничена. Существуют установки, работающие даже в вечной мерзлоте!

На рынке  России ГТН - новинка, однако в развитых странах эти устройства производятся и успешно эксплуатируются уже  более 30 лет. Правительства этих стран активно поощряют организации и частных пользователей.  

   Грунтовые теплообменники.

Вы можете использовать энергию, накопленную  в земле для отопления и  охлаждения.

Для этого  применяются различные варианты грунтовых теплообменников. Они  используют естественную способность земли накапливать и возобновлять энергию. Температура под землей довольно постоянна в течение года (на глубине от 5 м изменяется в пределах нескольких градусов), поэтому тепловой насос с грунтовым теплообменником практически не зависит от колебаний температуры окружающего воздуха в отличие от воздушных кондиционеров.

Конкретная  конфигурация теплообменника выбирается в зависимости от местного климата, типа почвы, требуемых нагрузок на кондиционирование  и отопление.

Рассмотрим  основные типы грунтовых теплообменников.

Теплообменники закрытой петли.

Петли состоят  из замкнутого контура пластмассовых  высокопрочных труб, устроенных горизонтально  или вертикально. Жидкость, циркулирующая  в петлях, обычно содержит антифриз для предотвращения замораживания. Требуется достаточная длина трубопровода, чтобы гарантировать нужную передачу тепловой энергии из земли.

     Вертикальный теплообменник (закрытая петля)

При данной системе вода/антифриз циркулирует  в пластиковых трубах, вставленных  в скважины, глубиной 50, 100 м (от 10 до 30 м на кВт мощности). Обычно требуется несколько скважин, расположенных в интервале 3 м с установленными трубами для достижения суммарных требований теплового обмена. Вертикальные системы наиболее подходят при ограниченном пространстве земли, при глубоком уровне подземных вод и при каменистой или скалистой почве. Гарантийный срок службы теплообменника 50 лет.

Преимущества: Требуют меньшую общую длину труб, чем большинство проектов закрытых петель; требует наименьшую энергию насоса из всех систем закрытой петли; требует наименьшей площади поверхности земли; подземная температура обычно не зависит от сезонных колебаний.

Недостатки: требуется оборудование для бурения; расходы на бурение часто выше расходов на горизонтальную траншею

Горизонтальный теплообменник (закрытая петля).

Как и в вертикальном теплообменнике вода/антифриз циркулирует по пластиковым  трубам, проложенным в земле. В  горизонтальной системе трубы находятся  в траншеях, глубиной до 3-х метров и длиной от 7,5 до 40 м в зависимости от типа почвы. В траншею может устанавливаться до шести труб, с адекватным интервалом между ними. Трубы могут также быть спиральными, что позволяет сохранить производительность с меньшей траншей. Гарантийный срок службы теплообменника 50 лет.

Преимущества: Установка горизонтальных тепловых обменников стоит меньше, чем вертикальных, т.к. расходы на раскопку траншей обычно ниже, чем на бурение; гибкие варианты установки.

Недостатки: Требуется большая площадь земли и длина труб; несколько менее эффективна по сравнению с вертикальной и открытой системой; температура под землей на небольшой глубине зависит от сезонных колебаний

  Система с водоемом (закрытая петля)

Система с водоемом может быть наиболее экономичной  при инсталляции и работе. Как и при вертикальной и горизонтальной системах, состоит из закрепленных на дне пластиковых труб с циркулирующей водой/ антифризом. Система использует высокие теплопроводные свойства воды. При этом не требуются скважины или траншеи, что значительно уменьшает расходы на инсталляцию. Также система с водоемом практически не зависит от колебаний температуры окружающего воздуха в отличие от воздушных кондиционеров.

Преимущества: Может потребоваться наименьшая общая длина труб по сравнению с другими проектами закрытой петли; может быть наиболее дешевым проектом, если достаточно воды.

Недостатки: Требуется большой объем воды.  

Система с колодцем (открытая петля).

Эта система  забирает воду из водоносного слоя в одном колодце, пропускает через  тепловой насос, где отбирается или сбрасывается тепло, затем возвращает обратно в водоносный слой (вода сливается во второй колодец). Температура грунтовой воды постоянна (изменяется обычно в пределах одного градуса) в течение года, независимо от колебаний температуры воздуха. Поэтому тепловой насос будет работать с высокой эффективностью при любых погодных условиях. Эта система идеально подходит в случаях, когда имеются/возможны колодцы.

Преимущества: Простой проект, обычно имеет самую низкую стоимость; меньший объем бурения по сравнению с системами закрытой петли; имеют лучшие термодинамические характеристики, чем системы закрытой петли, т.к. используют доставляемую подземную воду земли с температурой лучше, чем в закрытом теплообменнике; может быть совмещена с питьевым колодцем; более низкие операционные расходы, если вода уже накачивается для других целей, например, для ирригации.

Недостатки: требуется большой поток воды; наличие воды может быть ограничено или не всегда возможно.; оборудование напрямую контактирует с грунтовыми водами на него влияет содержание жидкости (коррозийных веществ, твердых частиц и содержания бактерий); обычно требуется наибольшее количество энергии для накачки воды; могут потребоваться разрешения на скважины или возможны ограничения на использование подземных вод; сброс воды также может быть ограничен; высокие расходы на установку, если требуется другая скважина для возвращения воды. 

5. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ

Система имеет стандартное гарантийное  обслуживание от 1 до 5 лет. Устройства ГТН автономны, и требования по техническому обслуживанию ясны и не требуется новых навыков ТО.

Т.к. ГТН  обычно не имеет наружных элементов, подвергающиеся различным атмосферным  и иным воздействиям (исключения системы  с открытой петлей), то ГТН действительно  требуют меньшего ТО, чем обычные воздушные кондиционеры. 

Стандартное ТО для водо-воздушных ТН - это  замена воздушного фильтра, выполняемая  по мере надобности. Не требует особых навыков и сложных манипуляций.  

В системах с закрытой петлей, подземная петля  фактически не требует ТО. Циркуляционный насос требует стандартного ТО, как с любым насосом или системой с мотором, и петля с водой (закрытой системы) должна по режиму проверяться на температуру, давление, течение и концентрацию антифриза. Если нет течей, не требуется никаких дополнительных действий. 

В системах открытой петли, требуемое ТО колодца  идентично любому другому водному  колодцу. Система должна контролироваться по графику на температуру, давление и течение. Т.к. ТН снабжается подземной  водой, теплообменники должны обследоваться на возможные засорения и образования окалины. Главным образом широко известно, что требования к общему ТО, более низкие по сравнению с альтернативными технологиями.  

Вывод 
 
Из всего этого вывод последует таков: Тепловые насосы переносят, а не вырабатывают энергию. Этим и обусловлена их существенные преимущества по сравнению с традиционными источниками тепла. Тепловые насосы представляют собой устройство для перевода низкотемпературной энергии в высокотемпературную энергию и обратно. 
 
Передача тепла производится рабочим телом -хладагентом (фреоном) также, как в обычном холодильнике. Электроэнергия, потребляемая тепловым насосом, тратится лишь на перемещение хладагента по системе с помощью компрессора. 
 
Тепловые насосы (ТН) работают, перемещая тепловую энергию, в отличие от печи в которой происходит преобразование химической энергии в процессе горения. Принцип работы теплового насоса основывается на термодинамическом цикле Карно. По такому же принципу работают холодильники и кондиционеры (воздушные тепловые насосы). Охлаждение и обогрев в тепловом насосе обеспечивается компрессионным циклом, т.е. непрерывной циркуляцией, кипением и конденсацией хладагента в замкнутой системе. Кипение хладагента происходит при низком давлении и низкой температуре, а конденсация - при высоком давлении и температуре. В испарителе происходит отбор низкопотенциальной энергии у источника с относительно низкой температурой, а в конденсаторе - выделение концентрированной энергии в систему распределения тепла здания.