Геотермальна кліматична система. Розумний будинок

Для здорового мікроклімату в будинку в загальному випадку необхідно забезпечити узгоджену роботу приладів:

- опалення, в тому числі незалежно від основного опалювального обладнання нагрів рушникоосушувачів, можливо підлог санвузлів, басейнів, сніготанення стежок, дахів тощо;

- гарячого водопостачання;

- охолодження і кондиціонування;

- вентиляції, бажано з рекуперацією (поверненням) тепла з видаляємого вентиляцією повітря;

- осушення повітря ванних кімнат і басейнів.

Геотермальний теплонасос один може замінити усі перераховані прилади.

Наведена нижче інформація можливо буде корисною для розуміння процесів, що відбуваються при роботі геотермальної кліматичної системи. Наведена нижче інформація достатньо складна для людей без спеціальної освіти, і нам, на жаль, не вдалось її облегшити.

Опалення і гаряче водопостачання

Один і той самий тепловий насос може мати різні показники теплової потужності та ефективності. Теплова ефективність геотермального теплового насосу (його потужність, електроспоживання та ККД - СОР) залежить від двох температур:

- температури незамерзаючої рідини - теплоносія, що надходить з зовнішнього колектору до теплонасосу. Чим вище температура - тим більша потужність, більша эфективність і менше питоме електроспоживання. Наприклад, при температурі теплоносія з зовнішнього контуру 0 градусів потужність теплонасосу буде 24 кВт, а при збільшенні температури з зовнішнього контуру до 5 градусів потужність теплонасосу збільшиться до 28 кВт;

- температури теплоносія системи опалення або гарячого водопостачання. Чим меньша температура - тим більша потужність, ефективність та менше електроспоживання.

Наприклад, за температури системи опалення 35 градусів (підлогове або стінове опалення) потужність теплонасосу буде 24,5 кВт і електроспоживання 5,5 кВтг, ефективність теплонасосу 24,5/5,5=4,5 (так званий СОР). При температурі системи опалення 55 градусів (радіаторне або фэнкойлове опалення) потужність теплонасосу буде 22 кВт і електроспоживання 8 кВтг, ефективність теплонасосу СОР 22/8=2,8.

Теплонасоси різних моделей і виробників робляться з різних комплектуючих та автоматики, відповідно теплові насоси мають різну ефективність. Різниця в ефективності може бути дуже суттевою - у півтора-два рази. Суттєва різниця завжди спостерігається між моделями теплових насосів, зробленими на заводах спеціалізованих виробників великими партіями, і зібраними на маленьких підприємствах "на замовлення".

Спеціалізовані виробники теплонасосів зазвичай вказують електроспоживання та теплову потужність обладнання при, наприклад: температурі теплоносія з зовнішнього колектору 0 градусів Цельсія, і температурах теплоносія системи опалення / гарячого водопостачання: 35 градусів Цельсія (підлогове або стінове опалення), та 50 градусів Цельсія (радіаторне та фэнкойлове опалення, гаряче водопостачання). Наприклад: при 0/35 електроспоживання 5,5 кВтг та потужність 24,5 кВт, при 0/50 електроспоживання 8 кВтг та потужність 22 кВт.

Опалювальна потужність геотермальної кліматичної системи розраховується виходячи з гарантованої достатності у найбільш холодні дні року (для Києва, наприклад, зазвичай мінус 25 градусів Цельсія).

Температура теплоносія системи опалення зумовлюється видом опалення. Найменша температура та, відповідно, найбільша ефективність геотермального теплонасосу при підлоговому (панельному) та/або стіновому опаленні. Ці види низькотемпературного опалення найбільш дружні для людини. За дослідженнями FAWA (Feldanalyse von Wаrmepumpen-Anlagen, Аналіз установок теплових насосів, Швейцарія) у 1994-2004 роках 92% новозбудованих будинків, і 53% будинків що реконструюються, встановлюють опалення підлогою.

Сучасні геотермальні теплові насоси серійного виробництва можуть виробляти температуру опалення / гарячого водопостачання до 60 градусів Цельсія. Однак, враховуючи ефективність теплонасосів, а також для уникнення граничних (важких) умов роботи обладнання, температуру опалення / гарячого водопостачання фахівці з монтажу зазвичай обмежують 50 градусами. Це обмеження слід враховувати при проектуванні радіаторів і фэнкойлів.

Наприклад, радіатори опалення розраховують і встановлюють таким чином, щоб забезпечити температуру 20 градусів у будинку при температурі на вулиці мінус 25 градусів та температурі теплоносія 50 градусів Цельсія. Якщо температура на вулиці вище, наприклад мінус 5 градусів, теплонасос автоматично знизить температуру теплоносія системи опалення до 40 градусів, температура всередені будинку при цьому залишиться незмінною. Для визначення вуличної температури назовні будинку, з північної сторони, закріплюється датчик теплонасосу. У разі, якщо власник будинку хоче підвищити (знизити) температуру у будинку, наприклад до 23 градусів, йому достатньо повернути регулятор на панелі теплонасосу, що задає співвідношення вуличної температури і температури теплоносія системи опалення. Окрім температури назовні, теплонасос також аналізує температуру теплоносія, що повертається з системи оплення. Наприклад, якщо виглянуло сонце, що почало підігрівати будинок з середини через вікна, а температура назовні залишилась незмінною, теплонасос визначить це по температурі возвратного теплоносія, та зменшить потужність опалення. Температура всередині будинку в середньому залишиться незмінною.

Температура незамерзаючої рідини - теплоносія, що надходить з зовнішнього колектору, змінюється на протязі року. На початку опалювального сезону (початок осені) температура ґрунту або води навколо зовнішнього колектору найбільша, відповідно температура теплоносія максимальна - біля 10 - 15 градусів. Наприкінці лютого, коли теплонасос забрав тепло навколо зовнішнього колектору (окрім відкритого циклу), температура теплоносія може становити від мінус п`яти до плюс п`яти градусів. Середньорічну температуру теплоносія визначають: тип зовнішнього колектору (тепліші - відкриті, водорозташовані та вертикальні зонди); його довжина (довші колектора тепліші, але дорожчі); та охолодження / кондиціонування влітку.

Для зменшення капітальних витрат на геотермальну кліматичну систему, відповідно DIN4701/EN12831 передбачено використовувати „бівалентні” системи опалення. В бівалентній системі тепловий насос встановлюється з потужністю 70% - 90% максимальної зимової потреби, тобто тепловий насос самостійно забезпечує опалення, наприклад, за температури на вулиці до мінус 15 градусів Цельсія, або 350 діб на рік. В особливо зимні дні на допомогу теплонасосу вмикається додаткове джерело тепла опалення, що додає недостатні 10%-30% потужності опалення - зазвичай електронагрівач, іноді малопотужний котел, наприклад рідкопаливний і т.і. При цьому за рік тепловий насос виробить 92% - 98% тепла, а допоміжне джерело 2% - 8% тепла, необхідного будинку за рік. Загальна ефективність системи при цьому дещо знижується. Бівалентний електронагрівач також використовують з міркувань резервування надійності: у випадку поломки теплонасосу (будь-яка техніка коли-небудь ламається) бівалентний нагрівач підтримує мінімальну температуру в будинку до завершення ремонту

Опалення та кондиціонування (охолодження) єдиним приладом.

Для зменьшення капіталовкладень доцільно використовувати одну універсальну систему для опалення (взимку), та кондиціонування (влітку). Тобто, один пристрій, під`єднаний до одної пари трубопроводів, взимку опалює будинок, а влітку здійснює кондиціонування. При цьому кошти витрачаються на встановлення системи опалення, а можливість охолодження отримується власником безкоштовно.

Існують дві основні технології єдиного приладу для опалення та кондиціонування: фенкойлами (інші назви - "фанкойл", "повітряний доводчик", "вентиляторний конвектор") та теплі /холодні підлоги / стіни.

Наприклад, використання чотиритрубних фенкойлів (внутрішній блок кондиціонера) для опалення / кондиціонування одним пристроєм офісних і виробничих приміщень, а також частково житла, зараз стає доволі популярним.

У житлових приміщеннях, де шум від працюючих фанкойлів, та протяги холодного повітря, є недоцільними, можливе розповсюдження холоду по будинку через стіни або підлогу.

Охолодження та кондиціонування

У геотермальних кліматичних системах прийнято відрізняти два режими охолодження - пасивний і активний.

Великим плюсом геотермальної кліматсистеми є можливість прямого використання влітку підземного холоду для охолодження / кондиціонування будинків. Наприклад, в системах з вертикальним зовнішнім колектором (зондом), охолоджений взимку грунт навколо колектору має температуру біля 5 градусів Цельсія. Влітку звичайним насосом теплоносій прокачується по зонду, охолоджується, подається в будинок та розповсюджується по фенкойлам, або полам / стінам, що охолоджують будинок. При цьому компресор теплонасосу не вмикається, електроенергія витрачається лише на прокачування теплоносія. На один кіловат витраченої електроенергії можливо отримати до 50 кіловат холоду, що у 15 разів ефективніше за кондиціонер. Такий режим кондиціонування зветься "вільним" або "пасивним".

Якщо потужності пасивного охолодження будинку, наприклад всередині спекотного дня, стає недостатньо, до процесу охолодження під'єднується компресор теплового насосу. Тобто тепловий насос починає працювати як кондиціонер, охолоджуюча потужність зовнішнього колектора сумується з охолоджуючою потужністю теплового насосу. Потужність охолодження збільшується вдвічі, але збільшуються і питомі витрати електроенергії: на один кіловат витраченої електроенергії можливо отримати до 6 кіловат холоду, що у 2-3 рази ефективніше за кондиціонер. Таке охолодження звуть "активним".

Геотермальна кліматсистема в режимі охолодження забирає тепло з будинку ті скидає його через зовнішній колектор у ґрунт. Якщо зовнішній колектор виконаний зондом, тепло акумулюється в ґрунті до початку опалювального сезону. При охолодженні потужність і ефективність геотермальної системи в режимі опалення і підігріву гарячої води збільшується (див. вище).

Вентиляція з рекуперацією (поверненням) тепла з видаляємого повітря

Геотермальна кліматична система може забрати тепло з повітря, видаляємого вентиляцією будинку. Повітря перед видаленням з будинку охолоджується, тепло повертається (рекуперується) у будинок. Для цього видаляєме повітря прокачується через теплообмінник, в якому циркулює теплоносій зовнішнього колектору. Теплоносій підігрівається теплом повітря, теплова потужність і ефективність теплонасосу збільшується (див. вище Опалення), тепло повертається при нагріві гарячої води або з опаленням. Якщо теплонасос в цей момент не працює на тепло (наприклад, весною або восени), тепло акумулюється в ґрунті навколо зовнішнього колектору до ввімкнення теплонасосу.

Осушіння повітря ванних кімнат і басейнів

Осушіння повітря в басейнах завжди здійснюється прокачуванням повітря басейну через холодні поверхні осушувача. При цьому повітря охолоджується нижче "краплі роси", з повітря на холодні поверхні конденсується вода, яка видаляється. Враховуючи зазначене вище (див. Охолодження, Вентиляція з рекуперацією) геотермальна кліматична система виконає осушення ефективніше і дешевше іншої спеціалізованої техніки.

У великих будівлях використовують модульні теплові насоси - декілька теплонасосів об`єднують під загальним керуванням при спільній або окремих системах опалення, гарячого водопостачання та кондиціонування - охолодження - вентиляції - осушення. Кількість встановлених модулів залежить від потрібної теплової потужності, модулі комплектуються додатковим обладнанням виходячи з конкретних потреб будинку.