Принцип роботи ґрунтового геотермального теплового насосу
Склад теплового насосу
Внутрішній контур теплових насосів складається з таких компонентів:
· Конденсатор;
· Капіляр;
· Випарник;
· Компресор, що працює від електричної мережі;
· Терморегулятор, який управляє обладнанням;
· Холодоагент.
Принцип роботи
Холодоагент під високим тиском через капілярний отвір попадає у випарник, де за рахунок різкого зменшення тиску відбувається процес випару. При цьому холодоагент відбирає тепло у внутрішніх стінок випарника, а випарник у свою чергу віднімає тепло в земляного або водяного контуру, за рахунок чого він постійно прохолоджується. Компресор вбирає холодоагент із випарника, стискає його, за рахунок чого температура холодоагенту різко підвищується й виштовхує в конденсатор. Крім цього, у конденсаторі, нагрітий у результаті стиску холодоагент віддає тепло (температура порядку 85-125 градусів Цельсія) опалювальному контуру й переходить у рідкий стан. Процес повторюється постійно. Коли температура в будинку досягає необхідного рівня, електричне коло розривається терморегулятором і тепловий насос перестає працювати. Коли температура в опалювальному контурі падає, терморегулятор знову запускає тепловий насос. У такий спосіб холодоагент у тепловому насосі робить зворотний цикл Карно.
Як ми бачимо, теплові насоси перекачують розсіяну теплову енергію землі, води або навіть повітря у відносно високопотенційне тепло для опалення об'єкта. Приблизно 75% опалювальної енергії можна зібрати безкоштовно із природи: ґрунту, води, повітря й тільки 25% енергії необхідно затратити для роботи самого теплового насоса. Інакше кажучи, власник теплових насосів заощаджують 3/4 коштів, які він би регулярно витрачав на дизпаливо, газ або електроенергію для традиційного опалення. Попросту кажучи, тепловий насос за допомогою теплообмінників збирає теплову енергію із землі (води, повітря) і «переносить» її в приміщення.
Теплові насоси здатні не тільки опалювати приміщення, але й забезпечувати гаряче водопостачання, а також здійснювати кондиціювання повітря. Але при цьому в теплових насосах повинен бути реверсивний клапан, саме він дозволяє тепловому насосу працювати у зворотньому режимі.
Типи теплових насосів
В залежності від принципу роботи теплові насоси поділяють на компресійні та абсорбційні. Компресійні теплові насоси завжди діють за допомогою механічної енергії (електроенергії), в той час як абсорбційні теплові насоси можуть також працювати на теплі в якості джерела енергії (за допомогою електроенергії чи палива).
В залежності від джерела відбору тепла теплові насоси поділяються на [3] :
1. Геотермальні (використовують тепло землі, наземних або підземних ґрунтових вод)
а) замкнутого типу
— горизонтальні
Колектор розміщується кільцями або хвилясто у горизонтальних траншеях нижче глибини промерзання ґрунту (зазвичай від 1,20 м і більше)[4]. Цей спосіб є найбільш економічно ефективним для жилих об'єктів за умови відсутності дефіциту земельної площі під контур.
— вертикальні
Колектор розміщується вертикально у свердоловини глибиною до 200 м [5]. Цей спосіб застосовується у випадках, коли площа земельної ділянки не дозволяє розмістити контур горизонтально або є загроза пошкодження ландшафту.
— водні
Колектор розміщується хвилясто або кільцями у водойму (озеро, ставок, річку) нижче глибини промерзання. Це найдешевший варіант, але є вимоги до мінімальної глибини та об'єму води у водоймі для певного регіону.
б) відкритого типу
Така система використовує в якості теплообмінної рідини воду, що циркулює безпосередньо через систему геотермального теплового насосу в рамках відкритого циклу, тобто вода після проходження системою повертається у землю. Цей варіант можливо реалізувати на практиці лише при наявності достатньої кількості відносно чистої води та за умови, що такий спосіб використання ґрунтових вод є дозволеним.
2. Повітряні (джерелом відбору тепла є повітря)
3. Такі, що використовують вторинне тепло (наприклад, тепло трубопроводу центрального опалення). Цей варіант є найбільш доцільним для промислових об'єктів, де є джерела паразитного тепла, яке потребує утилізації.
Принцип роботи ґрунтового геотермального теплового насосу
Більшості населення України поки малознайоме поняття "тепловий насос", але ми постійно їх використовуємо. Теплові насоси працюють у звичних холодильниках і кондиціонерах. Холодильники та кондиціонери стали настільки надійними, зручними та звичними, що ми навіть не звертаємо увагу на їх роботу.
Таким саме звичним, як для нас кондиціонери, для наприклад шведів, є опалення будинків геотермальними тепловими насосами. Геотермальний тепловий насос за принципом роботи схожий на звичайний кондиціонер або холодильник, але має підвищену енергоефективність, потужність та розширені функції.
Геотермальний тепловий насос, на відміну від кондиціонерів, адаптований для роботи при будь-яких погодних умовах і мінусових температурах. Головна проблема кондиціонерів - зменшення ефективності та зупинка кондиціонерів при мінусових температурах, коли опалення особливо потрібно - вирішена у геотермальних теплових насосах.
Теплові насоси не являють собою якихось чарівних пристроїв, діяльність яких розуміють тільки продавці та установники теплових насосів. Тепловий насос слід розглядати як будь-який інший опалювальний пристрій, що використовується для виробництва тепла, і у відношенні якого діють усі фізичні закони, що стосуються енергії. Як і в кожного способу опалення, також і в теплового насосу є свої особливості, переваги та недоліки. Теплотехнічні розрахунки у всіх способів отримання тепла однакові. Правила термодинаміки діють як при дров`яному пічному опаленні, так і при керуємому через Інтернет тепловому насосу.
Технічні подробиці роботи теплових насосів
Принцип роботи теплового насосу відображений в циклі Карно, опублікованому в 1824 р. у його дисертації, та загальновідомий з шкільного курсу фізики. Практичну теплонасосну систему запропонував лорд Кельвін у 1852 р. під назвою „помножувач тепла”. Принципова схема зображена на малюнку
Відповідно до зображеного принципу дії, тепловий насос бере теплову енергію з одного місця, переносить (перекачує) її, та віддає у інше місце. Наприклад, у звичайному холодильнику тепло відбирається морозильною камерою з холодильника та викидається у кухню, при цьому задня поверхня холодильника стає гарячою.
У реверсивних кондиціонерів, працюючих на опалення, розташований ззовні будинку блок відбирає тепло з повітря та віддає внутрішньому блоку в будинок. Але, при температурах повітря біля плюс п`яти градусів Цельсія, зовнішній блок починає вкриватись ожеледдю та льодовою кригою з конденсату повітря, що зменшує ефективність теплопередачі. Для видалення льоду кондиціонер починає періодично опалювати зовнішній блок електроенергією, при цьому потужність опалення падає, витрати електроенергії зростають. При подальшому зниженні температури ефективність опалення на кондиціонерах стає близькою нулю, кондиціонер зупиняється.
Для збору тепла незамерзаюча рідина тече по трубі, розташованій у ґрунті або водоймі біля будинку, і надходить до теплового насосу. Теплонасос, подібно холодильнику, охолоджує незамерзаючу рідину (відбирає тепло), при цьому рідина охолоджується орієнтовно на 5 °С. Рідина знову тече по трубі у ґрунті або воді, відновлює свою температуру і надходить до теплонасосу. Відібрані тепловим насосом градуси передаються системі опалення та/або на підігрів гарячої води.
Тепловий насос може використовувати накопичену в скалах, ґрунті, воді сонячну енергію для нагріву будівлі: опалення, підігріву гарячої води, басейну, зимового саду, рушникосушарок тощо. Перетворення накопиченої в природі енергії в тепло для нагріву відбувається в трьох контурах. В ґрунтовому контурі (1) вільне тепло переходить від навколишнього середовища до незамерзаючої рідини, та подається при температурі біля нуля градусів до теплового насосу. В контурі фреону (2) теплонасос збільшує температуру отриманого тепла до 100 градусів. У контурі гріючої сторони (3) тепло від фреону переходить в систему опалення та розповсюджується по будинку.
1.Ґрунтовий контур
AВ трубах незамерзаюча рідина – розсіл – циркулює від теплового насоса до джерела тепла (скала/ґрунт/озеро/вода). Накопичена енергія джерела тепла нагріває розсіл на декілька градусів, наприклад від –3°C до 0 °C.
B Розсіл по трубам повертається у випарник теплового насосу. Тут розсіл віддає теплову енергію, охолоджується на кілька градусів з 0 °C до –3°C. Потім розсіл повертається до джерела тепла і отримує енергію знову.
2.Контур фреону
C Фреон циркулює в закритому контурі теплового насосу, і також проходить через випарник. Фреон має дуже низьку температуру кипіння. У випарнику фреон отримує теплову енергію від розсолу, підігрівається з –20°C до ‐2°C, починає кипіти, і перетворюється в пар.
D Пар надходить до компресору з електроприводом. Компресор стискає пар, тиск підвищується, і температура пара зростає від ‐2°C до +100 °C.
E Від компресора пар надходить в теплообмінник – конденсатор – де він віддає тепло системі опалення, після чого газ охолоджується від +100°C до +70°C і конденсує в рідкий фреон.
F Тиск фреону ще залишився високим, і він проходить через розширювальний перепускний кран. Тиск падає і фреон повертається до своєї початкової температури –20°C. Відбувся повний цикл. Фреон повертається у випарник і процес повторюється.
3.Гріюча сторона
G Теплова енергія, яку віддав фреон в конденсаторі, передається воді опалювальної системи, або на підігрів гарячої води, басейну, тощо.
H Теплоносій системи опалення циркулює по замкнутому контуру. З температурою +40°C він підходить до теплового насосу, нагрівається в конденсаторі до +50°C, і транспортує тепло для нагріву води або радіаторів/опалювальних приборів. Віддавши тепло приборам, і охоловши до +40°C, теплоносій повертається до теплонасосу за наступною порцією тепла.
Вищенаведена схема застосовується при роботі в режимі обігріву.
У разі роботи в режимі кондиціонування геотермальний тепловий насос працює у зворотному напрямку, переносячи тепло з будинку в ґрунт або водойму.
Теплова енергія є в будь-якого предмету, що має температуру вище за мінус двісті сімдесят три градуси Цельсія. Тобто тепловий насос може відібрати тепло у будь-якого предмету - землі, водойми, льоду, підземної скали, води тощо. В кліматичних умовах України для опалення будинку енергія береться з ґрунту (або водойми) та віддається до системи опалення будинку. Якщо ж будинок, наприклад влітку, потрібно охолоджувати, то відбувається зворотній процес - тепло забирається з будинку та скидається у землю (водойму). Той самий тепловий насос може працювати взимку на опалення, а влітку на охолодження будинку. Вочевидь, що тепловий насос одночасно може виконувати витікаючи функції - гріти воду для гарячого водопостачання, кондиціонувати, гріти басейн, охолоджувати наприклад льодовий каток, підігрівати дахи і доріжки від льоду тощо. Тобто єдиний пристрій може взяти на себе усі функції по тепло-холодопостачанню будинку або комплексу будівель.