Тепловий насос з льодовим акумулятором як альтернатива традиційним ґрунтовим зондам та ґрунтовим колекторам має найширші перспективи використання для опалення та охолодження у житловому та цивільному будівництві
Джерела тепла для теплових насосів
Принцип дії теплових насосів вже загальновідомий. Якщо коротко: теплові насоси (ТН) використовують енергію навколишнього середовища з низькою температурою і через процес зворотного холодильного циклу переводять її на тепло з більш високим рівнем температури, достатнім для роботи системи опалення чи для нагрівання гарячої води.
Ґрунт і ґрунтові води є класичним надійним джерелом первинної енергії для теплового насосу. Температура з цих джерел відносно стабільна протягом року, що забезпечує постійну високу ефективність роботи ТН. Для використання енергії землі облаштовують ґрунтові колектори або ґрунтові зонди; для використання енергії з води необхідні водяні свердловини. Для встановлення теплових насосів «ґрунт-вода» або «ґрунтові води-вода» необхідно виконати значний обсяг земляних робіт, що вимагає великих витрат залежно від місцевих умов. Такі підземні роботи, що найбільш важливо, підлягають погодженню з місцевими наглядовими органами, а подекуди це просто неможливо (міська забудова з підземною інфраструктурою або особливі геологічні обставини).
Зовнішнє повітря як джерело тепла є найбільш доступним. У системах опалення та охолодження з тепловими насосами «повітря – вода» або «повітря-повітря» немає потреби в земляних роботах, також вони прості в монтажі. Але вони найменш ефективні в порівнянні із тепловими насосами «ґрунт-вода» або «вода-вода», оскільки потужність та ефективність роботи ТН «повітря-вода» значно зменшується при зниженні температури зовнішнього повітря. Такі системи зазвичай потребують використання додаткового джерела теплової енергії (газовий або електричний котел), яке буде включатись у роботу при критично низьких температурах зовнішнього повітря і, відповідно, за максимальної потреби в тепловій енергії.
Альтернативні схеми теплових насосів
Оскільки теплові насоси використовуються для опалення будинків, виробники та науково-дослідні інститути завжди шукають нові способи оптимізації джерел енергії, зниження інвестиційних витрат і підвищення ефективності систем на основі теплових насосів.
Це включає і спроби використання сонячної енергії безпосередньо в теплових насосах. Це власне не нова ідея. Незасклені сонячні колектори як джерело первинного тепла використовувались для теплових насосів «розсіл-вода» ще з 1970-х років.
Однак ці рішення не були дуже ефективними, оскільки надходження сонячної енергії протягом опалювального періоду є дуже низьким.
Ефективним варіантом виглядає комбінація з використанням обох видів енергії – сонця і землі. Для цього на ринку існують різні рішення, але вони унеможливлюють контрольоване зберігання і накопичення сонячного тепла. Варіанти з акумулюванням сонячного тепла протягом сонячних літніх місяців у ґрунтових зондах практично не використовуються, оскільки вони дуже залежать від геологічних умов. Як тільки ґрунтові зонди перетинають підземні водяні шари, то тепло з них втрачається через потік підземних вод.
Альтернативою ґрунтовим зондам, ґрунтовим колекторам або бурінню свердловин є масивні поглиначі і так звані енергетичні огорожі.
Масивні поглиначі – це бетонні сегменти, в яких циркуляційні трубопроводи розташовані у вигляді регістрів. Бетонні сегменти повинні мати певну теплову ємність за рахунок своєї маси. Енергетичні огорожі – це прості регістри труб без теплоізоляційної обшивки. Обидва типи теплообмінників монтуються таким чином, щоб приблизно третина їхньої поверхні знаходилась під землею і приблизно дві третини розташовувались над земною поверхнею. Наземна частина працює як поглинач тепла від навколишнього повітря і сонячної радіації, підземна частина поглинає геотермальну енергію. Для ефективної роботи системи в холодні зимові дні без значного надходження сонячної енергії, достатньо велика частина поверхні теплообмінника повинна мати здатність поглинати тепло з ґрунту. Однак це неможливо через обмежену поверхню теплообмінника, заглиблену в ґрунт.
Інше рішення – «енергетичні корзини» – вважаються альтернативою земляним колекторам, тому що вони потребують для розташування значно меншої площі землі. Вони є зазвичай циліндричної форми та встановлюються на глибині до чотирьох метрів. Однак потужність таких теплообмінників рідко суттєво відрізняється від потужності звичайних ґрунтових колекторів.
Льодяні накопичувачі тепла
Новий підхід до організації поглиначів та акумуляторів тепла з навколишнього середовища – так звані льодяні акумулятори. Саме практичну реалізацію такої концепції пропонує Viessmann. Льодяні акумулятори тут виступають як альтернативне джерело тепла для теплових насосів типу «розсіл-вода».
Система складається з водяного резервуара та абсорберів типу «повітря-сонце». Така система дозволяє використовувати одночасно всі три джерела енергії природного середовища – тепло навколишнього повітря, сонячну енергію та енергію землі. У літній період така система працює також і як джерело холоду.
Система з льодяним акумулятором працює за простим принципом: енергія, отримана від сонця, повітря і ґрунту, передається з низькою температурою воді, що міститься у підземній бетонній ємності – акумуляторі льоду. Вода як основний теплоносій робить таку систему абсолютно екологічною та безпечною для навколишнього середовища, тому може використовуватись всюди, без будь-яких обмежень. Тепловий насос забезпечує будівлю теплом. Теплова енергія, необхідна для його роботи, отримується або від води в резервуарі, або безпосередньо із спеціальних сонячних абсорберів, розташованих на відкритому повітрі.
Основою в роботі такої системи є використання «прихованого» тепла фазового переходу води при замерзанні. Енергія кристалізації води виділяється при переході води з температурою 0°C у твердий стан (лід) також з температурою 0°C. Для роботи використовується фізичний ефект, що при замерзанні води виділяється стільки ж теплової енергії, скільки її потрібно для нагрівання такої ж кількості води від 0°C до +80°C. На рис. 1 зображено діаграму фазових переходів для води. З неї видно, що на фазовий перехід «лід-вода» витрачається майже стільки ж енергії, як і на нагрівання води до закипання.
Рис. 1. Діаграма витрат енергії на фазові переходи для води
З іншого боку, така система може використовуватися і влітку – для охолодження будівлі («природне охолодження»). Для цього воду в резервуарі спеціально максимально заморожують наприкінці опалювального сезону. Отриманий лід є природним безкоштовним джерелом для охолодження. У порівнянні зі звичайними концепціями охолодження витрати на забезпечення енергії охолодження будинку можуть бути зменшені на 99%. Завдяки керуванню процесом замерзання і відтаювання процес заморожування можна повторювати декілька разів протягом одного опалювального періоду, що дозволяє використовувати приховану енергію кристалізації/відтаювання безкінечно довго.
Привабливість рішення з льодоакумулятором обґрунтовується декількома факторами:
- відсутністю жорстких вимог для встановлення водяного резервуара та абсорберів типу «повітря-сонце». Немає потреби в складних бурильних і підземних роботах та погодженні такої системи з наглядовими органами;
- високою енергоефективністю в середньорічному розрахунку за рахунок використання енергії з трьох природних джерел тепла: сонця, повітря, землі;
- екологічністю та енергоефективністю системи опалення та охолодження.
На відміну від систем «вода-вода», що використовують первинний теплообмінник, розміщений у природному водосховищі (річка або ставок), у закритих теплообмінних ємностях льодоакумулятора використовується очищена питна вода, в якій не відбувається розмноження водоростей та обростання ними теплообмінних трубопроводів.
Абсорбери типу «повітря-сонце» можна використовувати навіть влітку – в цей час можна задіяти низькі нічні температури навколишнього повітря для охолодження води в льодоакумуляторі або для охолодження самого будинку. Таким чином, період «природного охолодження» може бути значно подовжений. Льодоакумулятор можна також використовувати і в схемах з «активним» охолодженням від теплових насосів. Отже, за допомогою льодоакумуляторі можна створити технічно єдину систему і для опалення, і для охолодження.
Технічна реалізація системи опалення з льодоакумуляторами
Компоненти системи з льодовим акумулятором показані на рис. 2, рис. 3, вона складається з таких основних компонентів:
- резервуара для зберігання льоду;
- теплообмінника первинного контуру теплового насоса;
- теплообмінника регенерації;
- абсорбера (поглинача енергії) «повітря-сонце»;
- теплового насоса «розсіл-вода»;
- автоматикою керування джерелом тепла.
Стандартна система потужністю до 20 кВт складається з одного або двох бетонних циліндрів (діаметр– 2,5 м, висота– 3,56 м), об'ємом по 10 м³ кожний. Вони повністю монтуються нижче рівня землі і заповнюються водою.
Рис. 2. Приклад реалізації установки з ТН та льодоакумуляторами
Рис. 3. Схема теплових потоків установки з льодоакумулятором 120 м3
У резервуарі встановлені теплообмінники з пластикових труб, які укладаються у спіралі на різних рівнях. Спіралі з труб підключені до первинного контуру теплового насоса та призначені для відбору тепла води під час роботи ТН. Ззовні резервуара розташований регенераційний теплообмінник з абсорберами «повітря-сонце», завдяки чому тепло навколишнього повітря і сонця також передається воді (рис. 4).
Рис. 4. Поглинання енергії від повітря та сонця регенераційним теплообмінником та резервуаром з водою від землі
Конструкція резервуару для льоду
Резервуар для води, яка перебуватиме в стані фазового переходу від льоду до рідини та навпаки, може бути як круглої, так і прямокутної форми (в залежності від місцевих умов для її встановлення). Мінімальна висота ємності зазвичай повинна бути 2 м, а максимальна може досягати 6 м.
Аби уникнути ефекту пошкодження ємності при розширенні льоду, інженери Viessmann змінили напрямок замерзання льоду на протилежний завдяки спеціальному розташуванню системи теплообмінника у резервуарі (рис. 5.): вода замерзає знизу вгору та зсередини назовні. Таким чином, вода, яка ще не замерзла, витискається у вільний об’єм, і після замерзання води власне резервуар не руйнується.
