Льодяні накопичувачі тепла: широке застосування

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.

Рис. 5. Розташування труб теплообмінника у резервуарі

Абсорбер «повітря-сонце»

Абсорбер (поглинач енергії) типу «повітря-сонце» являє собою відкритий незасклений колектор для монтажу на плоскому даху. Ним поглинається тепло від навколишнього повітря і сонячного світла, що служить як для регенерації льоду у сховищі, так і як пряме джерело тепла для теплового насоса. Абсорбери також можуть бути встановлені на похилому даху або на фасаді будинку. Можливо також встановити абсорбери у вигляді енергетичної огорожі.

Основною перевагою абсорберів «повітря-сонце» є те, що вони використовують тепло навколишнього повітря, яке доступне і вдень, і вночі. Такі абсорбери особливо підходять для системи зберігання льоду тому, що вони забезпечують енергію для системи навіть при відсутності сонячного світла. Сонячне випромінювання є додатковим джерелом тепла, що ще збільшує ефективність системи. Абсорбери «повітря-сонце» безперервно використовують вільне тепло навколишнього середовища: вночі– з навколишнього повітря, а протягом дня– також і від сонячних променів.

Рекуперативні поглиначі енергії «повітря-сонце» спеціально розроблені саме для сумісної роботи з льодоакумуляторами. Труби абсорберів виготовлені із спеціального пластику, стійкого до дії ультрафіолету. Абсорбери у формі підкови мають спеціальну незмочувану матову поверхню (на якій не затримується атмосферна вода, що може перешкоджати ефективному тепловідведенню або поглинанню тепла) та виконані таким чином, аби мати найменший гідравлічний опір та підтримувати потік теплоносія навіть в умовах найменшого перепаду тиску.

Як це працює?

Центральним елементом установки є резервуар для збереження льоду. Він слугує головним (первинним) накопичувачем теплової енергії. При запуску системи спершу резервуар заповнюється питною водою. ТН насос «забирає» енергію з води, чим охолоджує її. При цьому, при охолодженні 1 кг води на 1 К виділяється 1,163 Вт•год енергії. Під час роботи теплового насоса теплова енергія забирається із резервуара, а вода в ньому охолоджується до температури 0°С. Поступово труби теплообмінника починають обмерзати. Цей процес є навмисним і бажаним, тому що саме в процесі замерзання води з’являється очікуваний виграш в енергії через приховане тепло фазового переходу– 93 Вт•год енергії з 1 кг води. Утворення льоду починається на трубах теплообмінника. Шар льоду на пластиковій трубі теплообмінника виступає додатковим термічним опором для теплопередачі від води в резервуарі до розсолу всередині теплообмінника. Але при цьому шар льоду і збільшує загальну площу теплопередачі. Обидва процеси відбуваються керовано та приблизно пропорційно, а власне тепловий потік залишається майже постійним.

У цей час від абсорбера «сонце-повітря» у резервуар надходить певна кількість енергії з навколишнього середовища, що знову розтоплює лід чи нагріває воду.

На додачу до тепла від сонячно-повітряного поглинача, сховище льоду отримує також геотермальну енергію. Як тільки температура води у сховищі льоду падає нижче рівня температури ґрунту, що оточує резервуар, система зберігання льоду починає отримувати тепло від землі. Якщо резервуар навіть повністю заледенів, то до нього все ж таки продовжує надходити земне тепло, повертаючи систему у робочий стан. Щоправда, кількість такого тепла залежить від стану та складу ґрунту. Влітку, з іншого боку, надлишкове тепло також виділяється через стінки резервуара в навколишній ґрунт. Таким чином діє саморегуляція, що запобігає перегрівання об’єму льодоакумулятора.

Використання холоду в льодоакумуляторі влітку – дуже ефективний спосіб збереження енергії для кондиціонування приміщень природним шляхом. Для цього наприкінці опалювального сезону весь резервуар підземного накопичувача навмисно переохолоджується та весь об’єм води в ньому перетворюється на лід, аби використовувати його як джерело холоду. До того ж на додачу до природного способу (якщо потрібне охолодження з більшою інтенсивністю) вся система з ТН може бути переключена у режим активного охолодження «active cooling». Поступово (до початку наступного опалювального сезону) тепло, що було відібране із приміщень при активному охолодженні, стає при нагоді для обігріву у новому опалювальному циклі.

Рис. 6. Абсорбери «повітря-сонце»:
а) на плоскому даху; б) на фасаді будинку

Широке застосування

Система зберігання льоду підходить для всіх типів будівель з високими потребами тепла та/або для охолодження. Нагрівання або охолодження можна здійснювати періодично або безперервно. Використання ТН та високий загальний середньорічний показник ефективності системи дозволяє на 1 кВт витраченої електроенергії отримати до 6-7 кВт корисної енергії тепла та холоду.

Для ефективної роботи теплового насосу з льодоакумулятором потребує дуже прискіпливого розрахунку всіх теплових потоків та розрахунків енергобалансу як у цілому, так і окремо кожного з енергопотоків. Це потребує фахового проектування системи опалення та охолодження в цілому. Зберігання льоду та підтримки його у стані фазового переходу максимально розкриває свій потенціал тільки тоді, коли враховуються всі індивідуальні особливості проекту, а всі елементи оптимізовані один до одного.

Завдяки тому, що вже існують типові гідравлічні схеми та варіанти практичної реалізації, існує дуже широкий спектр використання ТН з льодовими акумуляторами не тільки в індивідуальному житловому будівництві. Окрім котеджів, ТН із льодоакумуляторами можуть використовуватися для опалення/охолодження:

• виробничих цехів;
• офісних будівель;
• торгівельних приміщень та гіпермаркетів;
• систем зберігання харчових продуктів на складах та у холодильних камерах торгівельних закладів;
• готелів та санаторіїв;
• басейнів та інших спортивних споруд;
• шкіл/дитячих закладів, соціальних установ;
• інших будівель різноманітного призначення.

Особливості теплового насосу «розсіл-вода»

Звичайно, тепловий насос для роботи з льодоакумулятором має свої певні особливості. У таких системах використовуються теплові насоси типу «розсіл-вода» з автоматикою керування, яка керує не тільки роботою системи опалення, самого теплового насоса, а й контролює всі процеси в льодоакумуляторі: температурні рівні в резервуарі, регенерацію акумулятора, оптимізацію циклічності роботи теплового насоса для максимально-ефективного використання тепла фазового переходу води тощо.

Холодильний контур теплового насоса має буди оптимізованим для роботи з теплоносієм у первинному контурі (розсіл) від +25°C до мінус 10°C, та бути оптимізованим для системи зберігання льоду, при тому, що основний режим роботи ТН з льодоакумулятором відбувається при температурі фазового переходу води, тобто 0°C.

 Тепловий насос типу «розсіл-вода» Viessmann серії Vitocal 300-G або 350-G  з регулятором Vitotronic 200 WO1Cпрацює як первинний контур ТН з ґрунтовими колекторами, ґрунтовими зондами, водяними свердловинами та льодоакумуляторами. Він має високу ефективність роботи (COP– до 5,0 при B0/W35°C, відповідно до EN 14511), що гарантує низькі експлуатаційні витрати під час роботи системи.

Тепловий насос оснащений електроннимтерморегулюючим вентилем EEV та системою діагностики роботи холодильного контуру RCD-System, що гарантує його високу енергоефективність у роботі з будь-яким джерелом первинної енергії – ґрунт, повітря, вода і т. ін.

Рис. 7. Схема внутрішнього розташування компонентів ТН «розсіл-вода» Vitocal 350-G

Електронний терморегулюючий вентиль EEV має діапазон роботи від 10 до 100% і забезпечує точну подачу холодоагента на компресор з мінімальним перегрівом. Завдяки цьому тепловий насос має високий ККД в кожній робочій точці та максимальну ефективність роботи при будь-яких температурних режимах.

Система діагностики роботи холодильного контуру RCD-System значно полегшує експлуатацію теплового насоса, дозволяє контролювати параметри холодоагента в основних робочих точках холодильного циклу, зберігає всі необхідні дані про роботу теплового насоса. Завдяки цій системі регулятор розраховує і енергобаланси – споживання електроенергії та вироблену теплову енергію для різних режимів роботи. Це особливо важливо при роботі з льодоакумуляторами та дозволяє аналізувати роботу в цілому всієї системи на базі теплового насоса, оптимізувати її для зменшення експлуатаційних витрат. Треба звернути увагу, що єдина система для опалення/охолодження з льодоакумуляторами – це система, в якій для роботи не використовуються вентилятори або інші з часом механічно зношувані компоненти, подібно систем з ТН типу «повітря-вода» або «повітря-повітря», в процесі експлуатації яких можливе збільшення шуму.

Усі переваги, що надає система «опалення льодом» порівняно з класичними системами опалення/охолодження на базі теплових насосів, гарантує їм невдовзі найширше використання у різних секторах житлового та цивільного будівництва.