Как нагреть воду тепловым насосом

Тепловой насос воздух-вода для дома и бассейна, КПД, принцип, схема отопления

Возобновляемый источник энергии

Когда счета за электроэнергию начинают расти, большинство из нас задается вопросом, есть ли альтернатива. Использование возобновляемых источников энергии в качестве отопления становится необходимым шагом для домовладельцев, в первую очередь потому, что газ и электричество, получаемые из ископаемых видов топлива, становятся все дороже. Переход на «зеленые» технологии, такие как (ВТН) тепловой насос воздух-вода, часто не вызывает сомнений у тех, кто желает сократить счета и оставить меньший углеродный след, но так ли они хороши?

Как и в любом другом деле, перед покупкой важно взвешенно подойти к вопросу, поэтому давайте рассмотрим достоинства и недостатки ВТН.

Что такое тепловой насос с воздушным источником тепла?

Тепловые насосы воздух-вода для отопления дома, это поистине гениальный ход. Вопрос в том, почему, имея такие хорошие характеристики, ТН воздух-вода не установлены в каждом доме?

Моноблок, размером со стиральную машину, гармонично размещается у внешней стены вашего дома и волшебным образом преобразует холодный наружный воздух в горячую воду и отопление.

Он способен преобразовывать атмосферу с отрицательной температурой и подавать горячую воду в дом для дальнейшего использования, а в летние месяцы он может работать как кондиционер. Часто люди используют тепловой насос воздух-вода для бассейна, чтобы нагревать с его помощью воду бассейна.

Установка теплового насоса воздух-вода занимает всего пару дней, а служат они до 20 лет. Устройство требуют минимального обслуживания, чистить их нужно один раз в год.

ВТН способен заменить все преимущества традиционного газового котла, а делает он это с минимальными затратами электроэнергии, без ущерба для окружающей среды. Нет необходимости покупать топливо, так как он просто не потребляет его.

Как работает тепловой насос воздух-вода?

Воздушный тепловой преобразователь работает на 75% от возобновляемой энергии, извлекаемой из воздуха, и на 25% от электроэнергии. Существует два основных типа ВТН:

Тепловой насос системы воздух-вода, это устройство, в котором из тепла атмосферы вырабатывается тепло для теплоносителя, а затем подается в традиционные системы отопления, такие как радиаторы и водяные теплые полы.
Поскольку напольное отопление работает при более низкой температуре, около 35 °C, оно считаются идеальной системой для работы теплового насоса.

Система «воздух-воздух» генерирует теплый поток воздуха, а затем прокачивает его через вентиляторы, которые распределяют тепло по всему дому.

Принцип работы теплового насоса воздух-вода

Принцип работы, достаточно прост. Энергия добывается путем всасывания атмосферного воздуха в теплообменник-испаритель. Воздух используется для нагрева газообразного фреона, подобно тому, как работает холодильник, но в обратном направлении. После того как фреон получил от воздуха низкопотенциальное тепло, температура хладагента повышается за счет сжатия, его осуществляет компрессор. Сжатый, теперь уже нагретый газ конденсируется в промежуточном теплообменнике, который называется конденсатором. После чего накопленное тепло передается теплоносителю системы отопления.

Эффективность воздушного теплового насоса

ВТН эффективны и зимой, и летом, благодаря COP (коэффициенту преобразования). COP теплового насоса — это способ измерения его эффективности путем сравнения потребляемой мощности, необходимой для производства тепла, с количеством тепла на выходе.

Показатель COP корректируется с учетом времени года. Чтобы иметь возможность сравнивать тепловые насосы по тому, насколько сильно на них влияют эти изменения, используется сезонный COP (Seasonal Coefficient of Performance).

ВТН получает энергию из окружающего воздуха, но при снижении окружающей температуры снижается и эффективность.

ВТН для холодного климата

Важно знать тепловую нагрузку объекта и характеристики теплового преобразователя, чем выше требуется температура подачи в систему отопления дома, тем ниже будет конечный СОР.

Даже не глядя на то, что эффективность может снизиться, это не означает, что ВТН не работают в холодную погоду. Известно, что они могут извлекать тепло из воздуха при температуре до -25°C, а с дополнительным источником, таким как электро-котел, и др. ВТН работают даже в холодном климате Сибири.

Но чтобы получить максимальную отдачу, необходимо убедиться, что дом хорошо теплоизолирован.

Какой тепловой насос воздух-вода выбрать?

Чем выше COP, тем лучше.

Например, инверторный тепловой насос воздух-вода работает с COP 4, когда температура наружного воздуха 0°C, а температура подачи теплоносителя 35°C. Это означает, что КПД теплового насоса воздух-вода составляет 400%. То есть, на каждый кВт/ч электрической энергии, потребляемой вентиляторами и компрессором, вырабатывается 4кВт/ч тепла.

Охлаждение тепловым насосом воздух вода

Опция реверса (обратной работы) в некоторых моделях означает, что их можно использовать и в качестве кондиционера. Конечно, можно приобрести отдельные сплит-системы кондиционирования, но существуют модели оборудования, которые выполняют обе функции. Главное не забывать, что универсальность любого прибора всегда негативно отражается на его специализации.

Преимущества ВТН

В отличие от газового котла, тепловой насос с воздушным источником тепла не производит углерод при работе. Хотя они и потребляют электроэнергию, ВТН могут быть объединены с солнечными фотоэлектрическими панелями для получения чистой электроэнергии.

Для дома тепловые насосы воздух-вода имеют низкие эксплуатационные расходы, особенно по сравнению с видами топлива, такими как пропан, дизель или прямое электрическое отопление.

Недостатки воздушных тепловых преобразователей

Отопление частного дома тепловым насосом воздух-вода не являются «универсальным» решением и не подходят для каждого дома так же, как газовые котлы. Они идеально подходят для хорошо изолированных, герметичных домов.
Для работы ВТН по-прежнему требуется электроэнергия. Это, скорее всего, увеличит ваши счета за электричество, но снизит другие расходы на отопление.

Воздействие ВТН на окружающую среду.

Помимо финансовых преимуществ установки ВТН, модернизация климатической системы имеет ряд положительных экологических последствий.

Высокая эффективность преобразования означает, что вы будете использовать меньше топлива для обогрева или охлаждения вашего дома. Это значит, что на электростанциях вырабатывается меньше энергии из ископаемых видов топлива, таких как уголь и нефть, что снижает количество выбросов парниковых газов и других загрязняющих веществ, попадающих в атмосферу.

Вы можете еще больше снизить углеродный след, если переведете все энергопотребление, с ископаемого топлива на солнечную энергию. Установка солнечных панелей на крыше позволяет питать систему ВТН (и весь ваш дом) бесплатной электроэнергией с нулевым уровнем выбросов СО2.

Источник

Использование тепловых насосов для подогрева воды в бассейнах

Тепловые насосы, используемые для бассейнов,– это высокоэффективные и энергосберегающие устройства, обеспечивающие нагрев воды с использованием тепла окружающей среды.

Как правило, нагрев воды в бассейнах осуществляется либо с помощью электронагревателей, либо через водоводяные теплообменники, используя тепловую энергию теплоцентрали или отопительного котла, при этом возникает ряд отрицательных моментов – высокие тарифы на энергоносители и в большинстве случаев нехватка электрических мощностей для подключения необходимого оборудования.

В данном случае целесообразно применение тепловых насосов. С их помощью возможен нагрев воды как закрытых так и открытых бассейнов. Принцип действия теплового насоса заключается в переносе тепла, полученного из окружающей среды (воды, грунта или воздуха), в воду бассейна. В сравнении с электронагревателями тепловой насос позволяет экономить до 80% электроэнергии. Например, потребляя 1,24 кВт электрической энергии, тепловой насос способен выработать 5,5 кВт тепловой энергии.

Тепловой насос не требует особого обслуживания и достаточно прост в управлении. Эксплуатационные параметры настраиваются с помощью специального блока автоматики.

Источником тепловой энергии может быть грунт, грунтовые и подземные воды, водоемы, воздух, а следовательно нагрев воды возможно осуществлять всесезонно. К тому же, в качестве дополнения к тепловому насосу, можно использовать солнечные коллекторы, которые обеспечат дополнительную тепловую мощность без затрат на электричество, а так же снизят время работы теплового насоса в ясную погоду, работая на поддержание температуры воды.

У геотермальных насосов внешний контур, собирающий тепло окружающей среды, представляет собой полиэтиленовый трубопровод, уложенный в землю или в воду. Теплоноситель – раствор этиленгликоля (либо этилового спирта) или антифриз (рассол).

При использовании в качестве источника тепла скалистой породы трубопровод опускается в скважину. Можно пробурить несколько неглубоких скважин – это, возможно, обойдется дешевле, чем одна глубокая. Главное получить общую расчетную глубину. Также, при наличии достаточного количества грунтовых и подземных вод, через внешний контур можно прокачивать воду, получаемую из одной скважины, и сбрасывать ее в другую скважину или водоем.

При укладке контура в землю для достижения максимального КПД желательно использовать участок с влажным грунтом, лучше всего с близко расположенными грунтовыми водами. Использование тепловых геотермальных насосов на участках с сухим грунтом тоже возможно, но это приводит к увеличению длины контура. Укладка может осуществляться горизонтально или в траншеи. Специальной подготовки почвы не требуется, влияния на рост растений на участке трубопровод при правильной укладке не оказывает.

Ближайший водоем – идеальный источник тепла для теплового насоса. При использовании в качестве источника тепла озера или реки контур укладывается на дно. Этот вариант оптимален: «высокая» температура окружающей среды (температура воды в водоеме зимой всегда положительная), короткий внешний контур, высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосом.

Существует также модель теплового насоса с воздушным теплообменником для получения тепловой энергии из воздуха. Помимо обработки воздуха окружающей среды, такой насос может эффективно получать тепло из использованного внутри помещений воздуха, например, из вытяжки вентиляционной системы.

Использование теплового насоса является хорошей альтернативой при повышении цен на традиционные виды топлива. Использование тепловых насосов обеспечивает здание и бассейн теплом, выработка которого безопасна для окружающей среды и экономична.

Подогрев воды в бассейне

Подогрев воды в бассейне тепловым насосом экономичнее и удобнее, чем подогрев с помощью электронагревателя. Также существует возможность точной регулировки процесса подогрева воды, в отличие от подогрева воды солнечными панелями.

На потребление тепла для уличного бассейна влияют привычки людей, которые будут им пользоваться, и тип бассейна. Если подогрев бассейна осуществляется в межсезонье, не имеет смысла учитывать потребление бассейна в объеме тепла, поставляемого тепловым насосом.

Примерный расчет потребления тепла зависит от таких параметров, как площадь бассейна, наличие ветра, температуры воды в бассейне, климатических условий в месте установки, частоты и длительности использования, наличия крыши или тента над бассейном.

Распределение тепловых потерь открытого бассейна

Распределение тепловых затрат открытого бассейна выглядит примерно так:

• конвекция в окружающую среду 10–20%;
• отдача тепла в атмосферу 5–20%;
• испарение с поверхности воды 50–80%;
• отдача тепла стенам бассейна 2–5%.

Наиболее выгодна интеграция системы подогрева воды открытого бассейна с помощью теплового насоса в инженерную систему здания в южных районах. В теплый период года, когда возможно использование бассейна, в южных районах основной расход энергии идет на охлаждение здания. Тепловой насос способен работать не только в режиме подогрева, но и охлаждения. При этом выделяется тепло, которое обычно утилизируется в землю, в случае же интеграции двух систем это тепло будет использовано на подогрев воды в бассейне. Исследование, проведенное учеными в США, показало, что использование систем подогрева воды в бассейне с тепловым насосом позволяет сократить длину внешнего контура на 20%, а также повысить экономическую эффективность теплового насоса.

Таблица 1 Необходимое количество энергии, Вт/м 2 , для подогрева воды в бассейне (в период с мая по сентябрь)

Тип бассейна Температура воды, °C 20 24 28 Крытый бассейн 100 150 200 Бассейн с заграждением 200 400 600 Частично крытый бассейн 300 500 700 Открытый бассейн 400 800 1000

В северных районах, где основным потребителем энергии является система отопления, длина контура подбирается исходя из обеспечения отопительной нагрузки и остается без изменений.

Потребление тепла для внутреннего бассейна зависит от температуры воды в нем, от разницы между температурой воды в бассейне и температурой помещения, а также от частоты использования бассейна.

В случае интеграции системы подогрева внутреннего бассейна в систему отопления дома с помощью теплового насоса может потребоваться увеличение внешнего контура трубопроводов.

Для первичного нагрева воды в бассейне до температуры более 20 °C необходимо примерно 12 кВт·ч/м 3 . Время полного цикла подогрева бассейна зависит от его величины и установленной отопительной мощности (время нагрева может составить несколько дней).

Пример расчета периода обогрева воды в бассейне:

• бассейн имеет объем 31,5 м 3 (7 x 3 x 1,5 м);
• начальная температура 15 °C, желаемая температура 28 °C;
• для подогрева бассейна тепловому насосу необходимо произвести:
  Q = 31,5 · (28 – 15) · 4186/3600 = 476 кВт.

При мощности теплового насоса 10 кВт бассейн (не учитывая затраты) будет подогреваться 47,6 ч (около двух суток).

Подключение подогрева воды плавательного бассейна осуществляется параллельно тепловыми насосами отопления и горячего водоснабжения. Подогрев воды плавательного бассейна следует выполнить через теплообменник бассейна, т.к. их материалы обладают повышенной коррозионной стойкостью с учетом воздействия воды, содержащей хлор.

Снижение тепловых затрат

Использование специального укрытия бассейна (пластиковой пленки-мембраны) в часы, когда бассейн не используется, позволяет сократить потери тепла и частично снизить конвекцию. В целом с помощью использования укрытия для бассейна можно сохранить до 50% тепла. У внутренних бассейнов укрывание поверхности будет нести еще другую важную функцию – снижение количества влаги, выделяющейся с зеркала бассейна в помещение. Закрывающая пленка должна быть устойчива к УФ-излучению (прежде всего у внешних бассейнов).

Если система подогрева уличного бассейна тепловым насосом совмещена с системой охлаждения здания, то в особо жаркие дни укрывать бассейн не рекомендуется, т.к. в системе будут наблюдаться избытки тепла.

Аквапарки

Первые аквапарки закрытого типа в мире появились на рубеже 1970–80-х годов. Аквапарки – дорогостоящие объекты с высокими первичными капиталовложениями и последующими эксплуатационными расходами. Одной из задач проектировщиков является оптимизация стоимостных показателей всех частей проекта. Сегодня определен уровень стоимостных показателей рентабельного объекта, который может колебаться в диапазоне от $15 до 30 млн (по данным Ingenieur-BuroGansloserGmbH, Германия).

При решении задачи оптимизации стоимостных показателей проекта перед проектировщиком возникает многокритериальная задача и главная ее составляющая лежит в подходе к созданию комплексного энергоэффективного проектного решения здания аквапарка.

Закрытый аквапарк – это сложное гидротехническое сооружение с искусственным климатом, предназначенное для отдыха и оздоровления широкого возрастного круга людей.

Водная поверхность бассейнов является интенсивным источником испарения. При нормальной температуре воды в бассейнах аквапарка 26 °C, температуре воздуха 27 °C и относительной влажности 60% с каждого м 2 зеркала бассейнов выделяется 230 г воды в час. В результате создаются неблагоприятные микроклиматические условия и происходит конденсация паров воды на относительно холодных ограждающих конструкциях. Это приводит к запотеванию окон, намоканию стен, разрушению внутренней отделки помещений, образованию плесени, коррозии. Особенно опасной является коррозия арматуры железобетонных конструкций, а также образование трещин в кирпичной кладке и шлакобетонной кладке при замерзании влаги, проникающей в результате конденсации в толщу наружных ограждений. Печальным итогом в ряде случаев является полное разрушение здания либо его непригодность к дальнейшей эксплуатации.

Следовательно, решение задачи осушения воздуха внутри влажной зоны аквапарка весьма важно, а наиболее экономичным и эффективным способом борьбы с избыточной влажностью является так называемый конденсационный. Для акваторий общей площадью более 2000 м 2 должны применяться установки центрального кондиционера большой производительности, около 100000 м 3 /ч. В составе установки имеются теплообменники диагонального типа (рекуператор) и работающий в реверсивном режиме тепловой насос. Конструктивно тепловой насос позволяет менять режим работы с зимнего на летний и наоборот. При такой производительности желательно добиться коэффициента энергетической эффективности с показателем 4:1, т.е. на каждый кВт потребляемой энергии отдаваемая мощность должна составлять 4 кВт. Учитывая, что аквапарки представляют собой объекты высшей категории энергетической насыщенности, указанные показатели эффективности, приводящие к 4-кратному снижению соответствующих эксплуатационных затрат, дают весьма ощутимую годовую экономию со сроком окупаемости необходимых капитальных вложений в несколько лет.

Тепловой насос SDA-200f с DX-петлей

Использование тепла сточных вод

Также хочется упомянуть в качестве среды для забора тепла тепловым насосом сточные воды. Септик – специально спроектированная емкость, в которой происходит очистка сточных вод загородного дома или коттеджа. Септики различаются по количеству камер (от одной до трех) и способом очистки – с доступом и без доступа воздуха.

Септик – идеальное решение отведения и биологической очистки сточных вод. Сливные воды имеют относительно высокую стабильную температуру. Разместив в септике контур теплосборника, можно обеспечить загородный дом горячей водой за счет отбора тепла из септика, что, в свою очередь, снижает нагрузку и капитальные затраты на основной контур.

Любая горячая вода после использования сливается в септик или в канализацию, т.е. попросту выбрасывается, поэтому возврат (рекуперация) тепла при помощи режима DX, позволяет «замкнуть», минимизировать расходы на ГВС. При помощи петли-испарителя, затопленной в септик с одной стороны и подключенной через порты к тепловому насосу с другой, возможно использовать тепло сточных вод. После использования человеком горячей воды она попадает в септик, оттуда тепло сточных вод с помощью теплового насоса передается на подогрев холодной воды до необходимой температуры, т.е. цикл полностью замыкается. В то время, когда нет водоразбора, нет и необходимости в подогреве горячей воды. По этой же причине исключается чрезмерное охлаждение септика, т.е. это нисколько не вредит его биосистеме.

Возможные схемы использования тепловых насосов

Выгоды системы с тепловым насосом:

экономичность. Тепловой насос использует затраченную энергию значительно эффективнее любых других отопительных систем, сжигающих топливо или использующих электрические нагревательные элементы. При этом тепловые насосы обладают значительным ресурсом (срок службы 50–100 лет при межремонтных интервалах 15–25 лет);

доступность и повсеместность. Практически нет такого дома или объекта, где была бы невозможна установка теплового насоса. Это оборудование не зависит от капризов погоды, поставщиков и тарифов на тепло, наличия дров или дизельного топлива или просто от падения давления газа в сети;

экологичность. Отопление тепловыми насосами – экологически чистый способ обогрева. Такая установка не только сэкономит деньги на энергоресурсы, но и сбережет здоровье жильцам дома. Данные отопительные установки не сжигают топливо и, соответственно, не образуются вредные для человека окислы. Применение тепловых насосов положительно влияет на экологию всей планеты, сокращается выработка электроэнергии на ТЭЦ. Используемые в тепловых насосах фреоны озонобезопасны и не содержат хлоруглеродов;

универсальность. Тепловые насосы – реверсивные, они не только вырабатывают тепло, но и охлаждают помещения. Тепловые насосы могут отбирать тепло из воздуха дома, охлаждая его и направлять тепловые избытки в скважину или на улицу с воздухом. В летнее время избыточное тепло можно использовать на подогрев бассейна;

безопасность. Тепловые насосы пожаро- и взрывобезопасны. Нет открытого огня, выбросов, нет топлива, опасных газов или смесей. Элементы его конструкции не нагреваются до высоких температур, способных воспламенить горючие материалы. Остановка теплового насоса не приведет к поломкам или замерзанию жидкостей.

Поделиться статьей в социальных сетях:

Источник