Теплові насоси
На сьогодні традиційні види палива (природний газ, нафта, вугілля тощо), що використовуються для енерго- та тепло забезпечення, спалюються на Землі в гігантській кількості. З одного боку, це завдає суттєвої шкоди екології навколишнього середовища, з іншого -- запаси цих видів палива на нашій планеті стрімко зменшуються, що приводить до підвищення цін на енергоносії.
Розвиток аграрної галузі, як і інших секторів економіки, неможливий без забезпечення її енергією та створення нормальних умов праці. В нинішніх умовах головними тенденціями розвитку аграрної енергетики є розробка і впровадження високоефективних енергоощадних технологій виробництва сільськогосподарської продукції,
тобто широке використання в технологічних процесах поновлюваних джерел енергії. Актуальність розробки та впровадження енергоощадних технологій обумовлена специфікою цього сектору енергетики: багато технологічних процесів сільського господарства пов'язані з великим споживанням теплової енергії, що в значній мірі задовольняється за рахунок електроенергії. З іншого боку, сільське господарство має в своєму розпорядженні великі власні вторинні теплові ресурси, але через їх низький температурний рівень вони використовуються недостатньо. Широке залучення в енергетичний баланс аграрної галузі теплових насосів (ТН) -- перспективний напрям, що дозволить використовувати теплові ресурси низькопотенційної енергії, та дає змогу забезпечити скорочення енергетичногодефіциту і охорону довкілля.
Енергетична доцільність застосування теплових насосів як енергод-жерела переконливо доведена результатами значної кількості наукових дослі-джень і досвідом експлуатації мільйонів ТН у багатьох країнах світу.Сьогодні в світі успішного експлуатується понад 130 млн теплонасосних установок різного функціонального призначення, загальною вартістю приблизно $125 млрд.
В Україні, на жаль, на сьогодні важко вказати який-небудь інший нап-рям розвитку нової техніки і технології, який знаходився б у такій суперечності як зы своїми потенційними можливостями, так і з рівнем розви-тку в інших країнах світу. Якщо в розвинених країнах і в таких, що роз-виваються, кількість працюючих ТН різного функціонального напряму нараховується мільйонами, то в Україні працюють лише одиничні установки.
Доречно зазначити, що впровадження ТН у всіх країнах світу прохо-дило і відбувається за істотною державною підтримкою у вигляді двоступе-невого тарифу на закупівлю електроенергії, субсидій покупцям ТН, субсидій і грантів виробникам теплонасосного устаткування і фірмам, які впровад-жують ТН, податкових або кредитних пільг.
В Україні створення і впровадження ТН базується переважно на ентузіазмі виконавців.
Принцип роботи теплового насоса можна розглянути на прикладі вертикальної бурової скважини, в якій резервуаром тепла є навколишній грунт, який нагрівається як за рахунок радіогенного тепла, яке йде з глибин землі, так і за рахунок сонячної радіації (рис. 1).
Рис. 1. Принцип роботи теплового насоса
Рідкий енергоносій, наприклад фреон, надходить в скважину (шлях 1-2-3), отримує тепло, що йде від грунту, нагрівається і випаровується, перетворюючись на газ. Далі фреон, уже у вигляді газу, проходить по шляху 3-4-5 та надходить до компресора, в якому стискується. А як відомо, газ при стисненні (збільшенню тиску) нагрівається. Таким чином, нагрітий фреон надходить у теплообмінник, де віддає своє тепло теплоносію, наприклад тосолу або антифризу, що циркулює в системі опалення. Віддавши тепло, фреон знову конденсується і вже у вигляді рідини знову надходить до скважини і при цьому цикл роботи теплового насоса повторюється. Отже, за допомогою теплового насосу можлива передача теплової енергії від джерела теплоти з низькою температурою до використовувача теплоти з високою температурою.
Теплові насоси -- це компактне, економічне і екологічно чисте устаткування, що дозволяє отримувати тепло для гарячого водопостачання і опалювання будівель та холод для кондиціювання приміщень за рахунок використання тепла поновлювальних низькопотенціальних джерел (тепло грунту, грунтових, артезіанських вод, озер, морів, тепло повітря).На відміну від газових котлів, котлів на рідкому і твердому паливі, теплові насоси мають відмінні показники економічності роботи (щомісячні витрати зменшуються від двох до скеми разів!).
Типи теплових насосів
Теплові насоси можна розподілити на такі типи:
1. «Повітря-повітря» -- використання енергії атмосферного повітря, що відводиться з приміщення, з подальшою передачею тепла повітрю, яке подається для обігріву приміщення.
2. «Грунт-вода» -- використання енергії грунту.
3. «Повітря-вода» -- використання енергії атмосферного повітря, що відводиться з приміщення, з подальшою передачею тепла на воду в системі опалювального контура.
4. «Вода-вода» -- використання енергії грунтових, артезіанських, термальних вод, грунтове тепло, що переноситься робочою рідиною до теплового насоса з подальшою передачею тепла на воду в системі опалювального контура.
5. «Вода-повітря» -- використання енергії грунтових, артезіанських, термальних вод, грунтове тепло, що переноситься робочою рідиною до теплового насоса з подальшою передачею тепла повітрю, яке подається для обігріву приміщення.
По суті, теплові насоси цього типу -- це сучасні кондиціонери, які можуть не тільки охолоджувати влітку, а й обігрівати взимку. Вони дешеві в установці, оскільки не вимагають прокладки зовнішнього колектора, досить економічні і тихі.Проте, є одне «але». На жаль, досить-таки суворі і холодні зими в Україні не дозволяють користуватися цим видом теплових насосів як основним джерелом тепла, оскільки їх робота гарантується при температурі навколишнього повітря до -70С (в деяких випадках -- до -150С), при цьому вже при температурі -30С велика частина електричної енергії йде на відтоплювання теплообмінника (зовнішнього блоку) і ефективність роботи різко погіршується.
Грунт -- це, мабуть, найбільш універсальне джерело розсіяного тепла. Він акумулює сонячну енергію і цілий рік підігрівається зсередини, від ядра землі. При цьому він завжди «під ногами» і здатний віддавати тепло незалежно від погоди. Адже на глибині вже 5-7 м температура практично постійна протягом всього року. Необхідна енергія збирається теплообмін-ником, заглибленим у землю, і акумулюється в носієві, який потім насосом подається у випарник і повертається назад за новою порцією тепла. Як такий переносник енергії використовують незамерзаючу рідину на основі етиленгліколю або пропіленглюколю. Існує два типи колекторів: грунтовий колектор і грунтовий зонд. Вибір залежить від особливостей кожної ділянки, його площі, геології тощо.Грунтовий колектор (горизонтальний) є довгою трубою, горизонтально укладеною під шаром грунту. Грунтові зонди (вертикальні колектори) -- це система довгих труб, що опускаються в глибоку свердловину (50-150 м).
За універсальністю застосування у наших кліматичних умовах цей тип насосів наразі програє іншим типам насосів. Хоча самі насоси дешевші, і прокладки труб або буріння свердловин не вимагається, але з морозного повітря багато тепла не відбереш. Тому такі теплові насоси рекомендується використовувати тільки в південних областях і в Криму, де максимальна температура взимку не опускається нижче -15°С. Конструктивно пристрої типу «повітря-вода» виконуються за двома компонувальними схемами: спліт і моно. У першому випадку установка складається з двох блоків, сполучених комунікаціями. Один, зовнішній, включає могутній вентилятор і випарник (вмонтовується на ділянці недалеко від будинку). Другий, внутрішній, містить конденсатор і автоматику і встановлюється в приміщенні. Компресор може розташовуватися або зовні, щоб не шумів у будинку, або у внутрішньому модулі. У моноблоках всі елементи збираються в загальному корпусі і вмонтовуються в будинку, а з вулицею з'єднуються гнучкими воздуховодом. Є моноблоки, що допускають як зовнішній, так і внутрішній монтаж. Останніми роками, у зв'язку з погіршенням вентиляції житла через широке застосування нових герметичних вікон з склопакетами, теплові насоси «повітря-вода» отримали додатковий розвиток. Крім опалювання і підготовки гарячої води, деякі моделі можуть не тільки працювати в системах вентиляції, а й використовувати тепло відпрацьованого повітря приміщень.
Джерелом тепла в цьому типі теплових насосів можуть бути поверхневі (річки, озера) або грунтові води (свердловини), а також скидна вода технологічних установок. Самі насоси майже не відрізняються від тих, які працюють на земляному контурі. Але завдяки вищій температурі теплоносія взимку річна ефективність застосування пристроїв типу «вода-вода» виявляється найвищою.
У цих теплових насосах теплова енергія береться з грунту, і через компресор безпосередньо передається повітрю, яке використовується для опалювання будівель, тим самим відпадає необхідність у використанні проміжного теплоносія (води). Джерелом тепла в цьому типі теплових насосів можуть бути поверхневі (річки, озера) або грунтові води (свердловини), а також відпрацьована вода технологічних установок. Самі насоси майже не відрізняються від тих, які працюють в грунтовому контурі. Але завдяки вищій температурі теплоносія взимку річна ефективність застосування пристроїв типу «вода-повітря» виявляється дуже високою.