Использование тепловых насосов для подогрева воды в бассейнах

А. А. Садовников, директор «Вигорцентр»

Как правило, нагрев воды в бассейнах осуществляется либо с помощью электронагревателей, либо через водоводяные теплообменники, используя тепловую энергию теплоцентрали или отопительного котла, при этом возникает ряд отрицательных моментов – высокие тарифы на энергоносители и в большинстве случаев нехватка электрических мощностей для подключения необходимого оборудования.

В данном случае целесообразно применение тепловых насосов. С их помощью возможен нагрев воды как закрытых так и открытых бассейнов. Принцип действия теплового насоса заключается в переносе тепла, полученного из окружающей среды (воды, грунта или воздуха), в воду бассейна. В сравнении с электронагревателями тепловой насос позволяет экономить до 80% электроэнергии. Например, потребляя 1,24 кВт электрической энергии, тепловой насос способен выработать 5,5 кВт тепловой энергии.

Тепловой насос не требует особого обслуживания и достаточно прост в управлении. Эксплуатационные параметры настраиваются с помощью специального блока автоматики.

Источником тепловой энергии может быть грунт, грунтовые и подземные воды, водоемы, воздух, а следовательно нагрев воды возможно осуществлять всесезонно. К тому же, в качестве дополнения к тепловому насосу, можно использовать солнечные коллекторы, которые обеспечат дополнительную тепловую мощность без затрат на электричество, а так же снизят время работы теплового насоса в ясную погоду, работая на поддержание температуры воды.

У геотермальных насосов внешний контур, собирающий тепло окружающей среды, представляет собой полиэтиленовый трубопровод, уложенный в землю или в воду. Теплоноситель – раствор этиленгликоля (либо этилового спирта) или антифриз (рассол).

При использовании в качестве источника тепла скалистой породы трубопровод опускается в скважину. Можно пробурить несколько неглубоких скважин – это, возможно, обойдется дешевле, чем одна глубокая. Главное получить общую расчетную глубину. Также, при наличии достаточного количества грунтовых и подземных вод, через внешний контур можно прокачивать воду, получаемую из одной скважины, и сбрасывать ее в другую скважину или водоем.

При укладке контура в землю для достижения максимального КПД желательно использовать участок с влажным грунтом, лучше всего с близко расположенными грунтовыми водами. Использование тепловых геотермальных насосов на участках с сухим грунтом тоже возможно, но это приводит к увеличению длины контура. Укладка может осуществляться горизонтально или в траншеи. Специальной подготовки почвы не требуется, влияния на рост растений на участке трубопровод при правильной укладке не оказывает.

Ближайший водоем – идеальный источник тепла для теплового насоса. При использовании в качестве источника тепла озера или реки контур укладывается на дно. Этот вариант оптимален: «высокая» температура окружающей среды (температура воды в водоеме зимой всегда положительная), короткий внешний контур, высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосом.

Существует также модель теплового насоса с воздушным теплообменником для получения тепловой энергии из воздуха. Помимо обработки воздуха окружающей среды, такой насос может эффективно получать тепло из использованного внутри помещений воздуха, например, из вытяжки вентиляционной системы.

Использование теплового насоса является хорошей альтернативой при повышении цен на традиционные виды топлива. Использование тепловых насосов обеспечивает здание и бассейн теплом, выработка которого безопасна для окружающей среды и экономична.

Подогрев воды в бассейне

Подогрев воды в бассейне тепловым насосом экономичнее и удобнее, чем подогрев с помощью электронагревателя. Также существует возможность точной регулировки процесса подогрева воды, в отличие от подогрева воды солнечными панелями.

На потребление тепла для уличного бассейна влияют привычки людей, которые будут им пользоваться, и тип бассейна. Если подогрев бассейна осуществляется в межсезонье, не имеет смысла учитывать потребление бассейна в объеме тепла, поставляемого тепловым насосом.

Примерный расчет потребления тепла зависит от таких параметров, как площадь бассейна, наличие ветра, температуры воды в бассейне, климатических условий в месте установки, частоты и длительности использования, наличия крыши или тента над бассейном.

Рисунок 1. Распределение тепловых потерь открытого бассейна

Распределение тепловых затрат открытого бассейна выглядит примерно так:

• конвекция в окружающую среду 10–20%;
• отдача тепла в атмосферу 5–20%;
• испарение с поверхности воды 50–80%;
• отдача тепла стенам бассейна 2–5%.

Наиболее выгодна интеграция системы подогрева воды открытого бассейна с помощью теплового насоса в инженерную систему здания в южных районах. В теплый период года, когда возможно использование бассейна, в южных районах основной расход энергии идет на охлаждение здания. Тепловой насос способен работать не только в режиме подогрева, но и охлаждения. При этом выделяется тепло, которое обычно утилизируется в землю, в случае же интеграции двух систем это тепло будет использовано на подогрев воды в бассейне. Исследование, проведенное учеными в США, показало, что использование систем подогрева воды в бассейне с тепловым насосом позволяет сократить длину внешнего контура на 20%, а также повысить экономическую эффективность теплового насоса.

В северных районах, где основным потребителем энергии является система отопления, длина контура подбирается исходя из обеспечения отопительной нагрузки и остается без изменений.

Потребление тепла для внутреннего бассейна зависит от температуры воды в нем, от разницы между температурой воды в бассейне и температурой помещения, а также от частоты использования бассейна.

В случае интеграции системы подогрева внутреннего бассейна в систему отопления дома с помощью теплового насоса может потребоваться увеличение внешнего контура трубопроводов.

Для первичного нагрева воды в бассейне до температуры более 20 °C необходимо примерно 12 кВт·ч/м³. Время полного цикла подогрева бассейна зависит от его величины и установленной отопительной мощности (время нагрева может составить несколько дней).

Пример расчета периода обогрева воды в бассейне:

• бассейн имеет объем 31,5 м³ (7 x 3 x 1,5 м);
• начальная температура 15 °C, желаемая температура 28 °C;
• для подогрева бассейна тепловому насосу необходимо произвести:
  Q = 31,5 · (28 – 15) · 4186/3600 = 476 кВт.

При мощности теплового насоса 10 кВт бассейн (не учитывая затраты) будет подогреваться 47,6 ч (около двух суток).

Подключение подогрева воды плавательного бассейна осуществляется параллельно тепловыми насосами отопления и горячего водоснабжения. Подогрев воды плавательного бассейна следует выполнить через теплообменник бассейна, т.к. их материалы обладают повышенной коррозионной стойкостью с учетом воздействия воды, содержащей хлор.

Снижение тепловых затрат

Использование специального укрытия бассейна (пластиковой пленки-мембраны) в часы, когда бассейн не используется, позволяет сократить потери тепла и частично снизить конвекцию. В целом с помощью использования укрытия для бассейна можно сохранить до 50% тепла. У внутренних бассейнов укрывание поверхности будет нести еще другую важную функцию – снижение количества влаги, выделяющейся с зеркала бассейна в помещение. Закрывающая пленка должна быть устойчива к УФ-излучению (прежде всего у внешних бассейнов).

Если система подогрева уличного бассейна тепловым насосом совмещена с системой охлаждения здания, то в особо жаркие дни укрывать бассейн не рекомендуется, т.к. в системе будут наблюдаться избытки тепла.

Аквапарки

Первые аквапарки закрытого типа в мире появились на рубеже 1970–80-х годов. Аквапарки – дорогостоящие объекты с высокими первичными капиталовложениями и последующими эксплуатационными расходами. Одной из задач проектировщиков является оптимизация стоимостных показателей всех частей проекта. Сегодня определен уровень стоимостных показателей рентабельного объекта, который может колебаться в диапазоне от $15 до 30 млн (по данным Ingenieur-BuroGansloserGmbH, Германия).

При решении задачи оптимизации стоимостных показателей проекта перед проектировщиком возникает многокритериальная задача и главная ее составляющая лежит в подходе к созданию комплексного энергоэффективного проектного решения здания аквапарка.

Закрытый аквапарк – это сложное гидротехническое сооружение с искусственным климатом, предназначенное для отдыха и оздоровления широкого возрастного круга людей.

Водная поверхность бассейнов является интенсивным источником испарения. При нормальной температуре воды в бассейнах аквапарка 26 °C, температуре воздуха 27 °C и относительной влажности 60% с каждого м² зеркала бассейнов выделяется 230 г воды в час. В результате создаются неблагоприятные микроклиматические условия и происходит конденсация паров воды на относительно холодных ограждающих конструкциях. Это приводит к запотеванию окон, намоканию стен, разрушению внутренней отделки помещений, образованию плесени, коррозии. Особенно опасной является коррозия арматуры железобетонных конструкций, а также образование трещин в кирпичной кладке и шлакобетонной кладке при замерзании влаги, проникающей в результате конденсации в толщу наружных ограждений. Печальным итогом в ряде случаев является полное разрушение здания либо его непригодность к дальнейшей эксплуатации.

Следовательно, решение задачи осушения воздуха внутри влажной зоны аквапарка весьма важно, а наиболее экономичным и эффективным способом борьбы с избыточной влажностью является так называемый конденсационный. Для акваторий общей площадью более 2000 м² должны применяться установки центрального кондиционера большой производительности, около 100000 м³/ч. В составе установки имеются теплообменники диагонального типа (рекуператор) и работающий в реверсивном режиме тепловой насос. Конструктивно тепловой насос позволяет менять режим работы с зимнего на летний и наоборот. При такой производительности желательно добиться коэффициента энергетической эффективности с показателем 4:1, т.е. на каждый кВт потребляемой энергии отдаваемая мощность должна составлять 4 кВт. Учитывая, что аквапарки представляют собой объекты высшей категории энергетической насыщенности, указанные показатели эффективности, приводящие к 4-кратному снижению соответствующих эксплуатационных затрат, дают весьма ощутимую годовую экономию со сроком окупаемости необходимых капитальных вложений в несколько лет.

Тепловой насос SDA-200f с DX-петлей

Использование тепла сточных вод

Также хочется упомянуть в качестве среды для забора тепла тепловым насосом сточные воды. Септик – специально спроектированная емкость, в которой происходит очистка сточных вод загородного дома или коттеджа. Септики различаются по количеству камер (от одной до трех) и способом очистки – с доступом и без доступа воздуха.

Септик – идеальное решение отведения и биологической очистки сточных вод. Сливные воды имеют относительно высокую стабильную температуру. Разместив в септике контур теплосборника, можно обеспечить загородный дом горячей водой за счет отбора тепла из септика, что, в свою очередь, снижает нагрузку и капитальные затраты на основной контур.

Любая горячая вода после использования сливается в септик или в канализацию, т.е. попросту выбрасывается, поэтому возврат (рекуперация) тепла при помощи режима DX, позволяет «замкнуть», минимизировать расходы на ГВС. При помощи петли-испарителя, затопленной в септик с одной стороны и подключенной через порты к тепловому насосу с другой, возможно использовать тепло сточных вод. После использования человеком горячей воды она попадает в септик, оттуда тепло сточных вод с помощью теплового насоса передается на подогрев холодной воды до необходимой температуры, т.е. цикл полностью замыкается. В то время, когда нет водоразбора, нет и необходимости в подогреве горячей воды. По этой же причине исключается чрезмерное охлаждение септика, т.е. это нисколько не вредит его биосистеме.

Рисунок 2. Возможные схемы использования тепловых насосов

Выгоды системы с тепловым насосом:

экономичность. Тепловой насос использует затраченную энергию значительно эффективнее любых других отопительных систем, сжигающих топливо или использующих электрические нагревательные элементы. При этом тепловые насосы обладают значительным ресурсом (срок службы 50–100 лет при межремонтных интервалах 15–25 лет);

доступность и повсеместность. Практически нет такого дома или объекта, где была бы невозможна установка теплового насоса. Это оборудование не зависит от капризов погоды, поставщиков и тарифов на тепло, наличия дров или дизельного топлива или просто от падения давления газа в сети;

экологичность. Отопление тепловыми насосами – экологически чистый способ обогрева. Такая установка не только сэкономит деньги на энергоресурсы, но и сбережет здоровье жильцам дома. Данные отопительные установки не сжигают топливо и, соответственно, не образуются вредные для человека окислы. Применение тепловых насосов положительно влияет на экологию всей планеты, сокращается выработка электроэнергии на ТЭЦ. Используемые в тепловых насосах фреоны озонобезопасны и не содержат хлоруглеродов;

универсальность. Тепловые насосы – реверсивные, они не только вырабатывают тепло, но и охлаждают помещения. Тепловые насосы могут отбирать тепло из воздуха дома, охлаждая его и направлять тепловые избытки в скважину или на улицу с воздухом. В летнее время избыточное тепло можно использовать на подогрев бассейна;

безопасность. Тепловые насосы пожаро- и взрывобезопасны. Нет открытого огня, выбросов, нет топлива, опасных газов или смесей. Элементы его конструкции не нагреваются до высоких температур, способных воспламенить горючие материалы. Остановка теплового насоса не приведет к поломкам или замерзанию жидкостей.