Використання теплових насосів для нагрівання води в басейнах

Теплові насоси, що використовуються для басейнів – це високоефективні енергозберігаючі пристрої, що забезпечують нагрівання води з використанням тепла навколишнього середовища.

Як правило, нагрівання води в басейнах здійснюється або за допомогою електронагрівачів, або через водоводяні теплообмінники, використовуючи теплову енергію теплоцентралі або опалювального котла. При цьому виникає ряд негативних моментів – високі тарифи на енергоносії і в більшості випадків брак електричних потужностей для підключення необхідного обладнання.

У даному випадку доцільно застосовувати теплові насоси. За їх допомогою можливе нагрівання води як закритих, так і відкритих басейнів. Принцип дії теплового насоса полягає у перенесенні тепла, отриманого з навколишнього середовища (води, ґрунту або повітря), у воду басейну. У порівнянні з електронагрівачами тепловий насос дозволяє економити до 80% електроенергії. Наприклад, споживаючи 1,24 кВт електричної енергії, тепловий насос здатний виробити 5,5 кВт теплової енергії.

Тепловий насос не потребує особливого обслуговування і досить простий в управлінні. Експлуатаційні параметри налаштовуються за допомогою спеціального блоку автоматики.

Джерелом теплової енергії може бути грунт, грунтові та підземні води, водойми, повітря, а, отже, нагрівання води можна здійснювати кожного сезону. Окрім того, як доповнення до теплового насоса, можна використовувати сонячні колектори, які забезпечать додаткову теплову потужність без витрат на електрику, зменшать час роботи теплового насоса в ясну погоду, працюючи на підтримання температури води.

У геотермальних насосів зовнішній контур, що збирає тепло навколишнього середовища, є поліетиленовим трубопроводом, укладеним в землю або воду. Теплоносій – розчин етиленгліколю (або етилового спирту) або антифриз (розсіл).

Трубопровід опускається у свердловину, якщо використовується як джерело тепла скелястої породи. Можна пробурити кілька неглибоких свердловин – це може коштувати дешевше, ніж одна глибока. Головне отримати загальну розрахункову глибину. Також за наявності достатньої кількості грунтових і підземних вод, можна прокачувати через зовнішній контур воду, одержувану з однієї свердловини, і далі скидати її в іншу свердловину або водойму.

При укладанні контуру в землю рекомендується використовувати ділянку з вологим грунтом для досягнення максимального ККД. Найкраще поруч грунтовими водами. Можна використовувати геотермальні теплові насоси на ділянках з сухим грунтом. Але це призведе до збільшення довжини контуру. Укладання може здійснюватися горизонтально або у траншеї. Спеціальна підготовка грунту не потрібна. За умови правильного укладання, трубопровід не має впливу на ріст рослин на ділянці.

Найближча водойма – ідеальне джерело тепла для теплового насоса. Якщо контур використовується як в джерело тепла озера або річки, то укладається на дно. Цей варіант оптимальний: «висока» температура навколишнього середовища (температура води у водоймі взимку завжди позитивна), короткий зовнішній контур, високий коефіцієнт перетворення енергії тепловим насосом.

Існує також модель теплового насоса з повітряним теплообмінником для отримання теплової енергії з повітря. Окрім обробки повітря навколишнього середовища, такий насос може ефективно отримувати тепло з повітря, використаного всередині приміщень. Наприклад, з витяжки вентиляційної системи.

Використання теплового насоса є гарною альтернативою при підвищенні цін на традиційні види палива. Використання теплових насосів забезпечує будівлю і басейн теплом, вироблення якого безпечне для навколишнього середовища і економічне.

Опалення води в басейні

Нагрівання води в басейні тепловим насосом економічніше і зручніше, ніж опалення за допомогою електронагрівача. Також існує можливість точного регулювання процесу нагрівання води, на відміну від нагрівання сонячними панелями.

На споживання тепла для вуличного басейну впливають звички людей, що будуть ним користуватися, і тип басейну. Якщо опалення басейну здійснюється у міжсезоння, немає сенсу враховувати споживання басейну в обсязі тепла, яке постачається тепловим насосом.

Приблизний розрахунок споживання тепла залежить від наступних параметрів: площа басейну, наявність вітру, температури води у басейні, кліматичних умов у місці встановлення, частоти і тривалості використання, наявності даху або тенту над басейном.

Розподіл теплових витрат відкритого басейну виглядає так:

• конвекція в навколишнє середовище 10–20%;
• віддача тепла в атмосферу 5–20%;
• випаровування з поверхні води 50–80%;
• віддача тепла стін басейну 2–5%.

Найбільш вигідна інтеграція системи нагрівання води відкритого басейну за допомогою теплового насоса в інженерну систему будівлі ─ у південних районах. У теплий період року, коли можна користуватися басейном, у південних районах основна витрата енергії йде на охолодження будинку. Тепловий насос здатний працювати не тільки в режимі нагрівання, але й охолодження. При цьому виділяється тепло, яке зазвичай утилізується в землю. У разі інтеграції двох систем це тепло буде використано на нагрівання води в басейні. Дослідження, проведене науковцями США, показало, що використання систем нагрівання води в басейні з тепловим насосом дозволяє скоротити довжину зовнішнього контуру на 20%, а також підвищити економічну ефективність теплового насоса.

У районах, де основним споживачем енергії є система опалення, довжина контуру обирається виходячи із забезпечення опалювального навантаження і залишається без змін.

Споживання тепла для внутрішнього басейну залежить від температури води в ньому, від різниці між температурою води в басейні і температурою приміщення, а також від частоти використання басейну.

У разі інтеграції системи опалення внутрішнього басейну в систему опалення будинку за допомогою теплового насоса може знадобитися збільшення зовнішнього контуру трубопроводів.

Для первинного нагрівання води в басейні до температури понад 20°C необхідно приблизно 12 кВт•ч/м3. Час повного циклу нагрівання басейну залежить від його величини і встановленою опалювальної потужності (час нагрівання може скласти кілька днів).

Приклад розрахунку періоду нагрівання води в басейні:

• басейн має обсяг 31,5 м3 (7 x 3 x 1,5 м);
• початкова температура 15°C, бажана температура 28°C;
• для опалення басейну тепловому насосу необхідно виробити: Q = 31,5•(28 – 15)•4186/3600 = 476 кВт.

При потужності теплового насоса 10 кВт басейн (не враховуючи витрати) буде нагріватися 47,6 год (близько двох діб).

Підключення нагрівання води плавального басейну здійснюється паралельно тепловими насосами опалення та гарячого водопостачання. Нагрівання води плавального басейну слід виконати через теплообмінник басейну, оскільки його матеріали мають підвищену корозійну стійкість з урахуванням впливу води, що містить хлор.

Зниження теплових витрат

Використання спеціального укриття басейну (пластикової плівки-мембрани) в години, коли басейн не використовується, дозволяє скоротити втрати тепла і частково знизити конвекцію. Загалом за допомогою використання укриття для басейну можна зберегти до 50% тепла. У внутрішніх басейнів приховування поверхні буде нести ще іншу важливу функцію – зниження кількості вологи, що виділяється із дзеркала басейну у приміщення. Захисне укриття повинно бути стійким до УФ-випромінювання (насамперед, у зовнішніх басейнів).

Якщо система опалення вуличного басейну тепловим насосом поєднане з системою охолодження будівлі, то в особливо спекотні дні вкривати басейн не рекомендується. У такому разі в системі будуть спостерігатися надлишки тепла.

Аквапарки

Перші аквапарки закритого типу у світі з'явилися на рубежі 1970–80-х років. Аквапарки – дорогі об'єкти з високими первинними капіталовкладеннями і наступними експлуатаційними витратами. Одним із завдань проектувальників є оптимізація вартісних показників усіх частин проекту. Сьогодні визначено рівень вартісних показників рентабельного об'єкта, що може коливатися в діапазоні від $15 до $ 30 млн. (за даними Ingenieur-BuroGansloserGmbH, Німеччина).

При вирішенні питання оптимізації вартісних показників проекту, перед проектувальником виникає багатокритерійне завдання. Головна його складова полягає у підході до створення комплексного енергоефективного проектного рішення будівлі аквапарку.

Закритий аквапарк – це складна гідротехнічна споруда зі штучним кліматом, призначена для відпочинку і оздоровлення широкого вікового кола людей.

Водна поверхня басейнів є інтенсивним джерелом випаровування. При нормальній температурі води в басейнах аквапарку 26°C, температурі повітря 27°C і відносній вологості 60% з кожного м2 дзеркала басейнів виділяється 230 г води в годину. В результаті створюються несприятливі мікрокліматичні умови і відбувається конденсація парів води на відносно холодних огороджувальних конструкціях. Це призводить до запітніння вікон, намокання стін, руйнування внутрішньої обробки приміщень, утворенню цвілі, корозії. Особливо небезпечною є корозія арматури залізобетонних конструкцій, а також утворення тріщин у цегляній кладці й шлакобетонних кладці при замерзанні вологи, що проникає в результаті конденсації у масив зовнішніх огороджень. Сумним наслідком у низці випадків є повне руйнування будівлі або його непридатність до подальшої експлуатації.

Отже, рішення задачі осушення повітря всередині вологої зони аквапарку є дуже важливим. А найбільш економічним і ефективним способом боротьби з надмірною вологістю є так званий конденсаційний. Для акваторій загальною площею більше 2000 м2 повинні застосовуватися установки центрального кондиціонера великої продуктивності, близько 100000 м3/ч. У складі установки є теплообмінники діагонального типу (рекуператор) і працює в реверсному режимі тепловий насос. Конструктивно тепловий насос дозволяє змінювати режим роботи із зимового на літній і навпаки. При такій продуктивності бажано домогтися коефіцієнта енергетичної ефективності з показником 4:1. Тобто на кожен кВт споживаної енергії віддається потужність повинна складати 4 кВт. Враховуючи, що аквапарки є об'єктами вищої категорії енергетичної насиченості, зазначені показники ефективності ─ що призводять до 4-кратного зниження відповідних експлуатаційних витрат ─ дають вельми відчутну річну економію з терміном окупності необхідних капітальних вкладень у кілька років.

Мал. 2. Тепловий насос SDA-200f з DX-петлею.

Використання тепла стічних вод

Також варто згадати стічні води як середовище для забору тепла тепловим насосом. Септик – спеціально спроектована ємність, у якій відбувається очищення стічних вод заміського будинку або котеджу. Септики розрізняються за кількістю камер (від однієї до трьох) і способом очищення – з доступом і без доступу повітря.

Септик – ідеальне вирішення відведення та біологічної очистки стічних вод. Зливні води мають відносно високу стабільну температуру. Розмістивши в септику контур геліоколектора, можна забезпечити заміський будинок гарячою водою за рахунок відбору тепла з септика, що, у свою чергу, знижує навантаження і капітальні витрати на основний контур.

Будь-яка гаряча вода після використання зливається в септик або каналізацію, тобто просто викидається. Тому повернення (рекуперація) тепла за допомогою режиму DX, дозволяє «замкнути», мінімізувати витрати на ГВП. За допомогою петлі-випарника, затопленої у септик з одного боку і підключеної через порти до теплового насосу ─ з іншого, можливо використовувати тепло стічних вод. Після використання людиною гарячої води вона потрапляє в септик, звідти тепло стічних вод за допомогою теплового насоса передається на опалення холодної води до необхідної температури. Тобто цикл повністю замикається. У той час, коли немає водорозбору, немає і необхідності в обігріванні гарячої води. З цієї ж причини виключається надмірне охолодження септика, тобто це аніскільки не шкодить його біосистемам.

Вигоди системи з тепловим насосом:

• економічність. Тепловий насос використовує витрачену енергію значно ефективніше будь-яких інших опалювальних систем, що спалюють паливо або використовують електричні нагрівальні елементи. При цьому теплові насоси мають значний ресурс (термін служби 50–100 років при міжремонтних інтервалах 15–25 років);
• доступність і повсюдність. Практично немає такого будинку або об'єкта, де була б неможлива установка теплового насоса. Це обладнання не залежить від примх погоди, постачальників і тарифів на тепло, наявності дров або дизельного палива або просто від падіння тиску газу в мережі;
• екологічність. Опалення тепловими насосами – екологічно чистий спосіб обігріву. Така установка не тільки заощадить гроші на енергоресурси, але і збереже здоров'я мешканцям будинку. Дані опалювальні установки не спалюють паливо і, відповідно, не утворюють шкідливі для людини оксиди. Застосування теплових насосів позитивно впливає на екологію всієї планети, скорочується вироблення електроенергії на ТЕЦ. Фреони, що використовуються у теплових насосах озонобезпечні і не містять хлорвуглеводнів;
• універсальність. Теплові насоси – реверсивні. Вони не тільки виробляють тепло, але і охолоджують приміщення. Теплові насоси можуть відбирати тепло з повітря будинку, охолоджуючи його і направляти теплові надлишки у свердловину або на вулицю з повітрям. У літній час надлишкове тепло можна використовувати на обігрів басейну;
• безпека. Теплові насоси пожежо - і вибухобезпечні. Немає відкритого вогню, викидів, немає палива, небезпечних газів або сумішей. Деталь не нагрівається до температур, здатних запалити легкозаймисті матеріали. Зупинка теплового насоса не призведе до поломок або замерзання рідин.

Правила використання матеріалів сайту