Самыми важными свойствами отопительно – охлаждающих систем являются эфективность, надёжность работы и удобство в эксплуатации.

Не производя энергию за счет сгорания, от воздуха или водоёма, можно использовать постоянный, дешёвый и безвредный для природы источник тепла – энергию Земли.

Внутренняя температура земли не зависит от сезона – зимой она выше, а летом ниже температуры воздуха. Геотермические системы сохраняют работоспособность и эффективность даже в экстремальных условиях окружающей среды.

Потребность в тепле увеличивается в осенне-зимний период, когда температура окружающей среды и воздуха понижается, но именно в это время тепловые воздушные насосы теряют свою работоспособность и эффективность. В то же время в весенне-летний период эффективность воздушных насосов, работающих в режиме охлаждения, опять понижается, поскольку температура воздуха высокая.

Энергия, сохранённая в недрах земли, может полностью использоваться тепловыми насосами EarthLinked^TM Comfort System компании ECR Technologies Inc., которые позволяют направлять тепло непосредственно в помещения и использовать его для их отопления. Согласно технологии EarthLinked^TM в системе происходит эффективная передача тепла по законам природы, которая сопоставима с производством тепла от источников сгорания твёрдого или жидкого топлива.

Технически инновационная и простая система EarthLinked^TM может преобразовать и направить в здание 3.5…4.0 kW единиц энергии, затрачивая при этом на работу установки 1 kW. Эффективность системы составляет 350–400% по сравнению с электрическим отоплением. Тепловой насос EarthLinked^TM устанавливается просто, очень удобен в эксплуатации и требует минимальных затрат при эксплуатации.

Вышеуказанные свойства ценят потребители, строители и собственники недвижимости, в свою очередь инженеров и архитекторов привлекают эффективность и компактность установки.

Такая “зелёная” технология позволяет потребителю добиться эффективной эксплуатации установки с наименьшими временными затратами.

ОПИСАНИЕ “ПРЯМОГО” ТИПА ТЕПЛОВОГО НАСОСА EarthLinked^TM

В геотермических или тепловых насосах используется холодильный компрессор для получения и преобразования тепла из земли. Летом используется обратный цикл для транспортировки лишнего тепла в грунт.

Для доступа к стабильной земной температуре в традиционных тепловых насосах используется U-образный трубопровод с “промежуточной” жидкостью, насосом и теплообменником. Жидкость (технический спирт и т.п.) циркулирует в пластиковых трубах и транспортирует тепло в испаритель.

Начиная с 1980 года, когда компания ECR Technologies Inc. (далее - ЕСR) разработала возможность направления рефрижеранта прямо к источнику тепла (DIRECT ACCESS^®), исключая из системы “промежуточный” U-образный трубопровод и теплообменник, она является пионером в отрасли регулирования систем тепловых насосов. В результате в производство внедрена более простая и эффективная система.

В 1996 году после длительных испытаний, подготовки нормативных документов и их утверждения соответствующими инстанциями началось производство насосов.

Испаритель “прямого” типа DIRECT ACCESS^® устанавливается горизонтально в грунт ниже глубины промерзания или в предварительно пробуренные скважины диаметром 50 мм, которые бурятся вертикально или диагонально на глубину 15 или 30 метров.

В каждую скважину опускается пара медных труб (Ш Ѕ"…ј"), которые соединены между собой. Трубы изготовлены и испытаны на заводе.

 

После инсталляции труб скважины заполняют песком, цементом и глиной. С помощью коллектора U-образные трубопроводы соединяются с магистральным трубопроводом и тепловым насосом. Перед заполнением системы хладагентом испытывают её герметичность. Для заполнения системы используется безвредный хладагент R407C, который по классификации безопасности ASHRAE соответствует классу A1/A1.

Благодаря простому процессу инсталляции и небольшим размерам, тепловые насосы EarthLinkedTM применимы как в новых сооружениях, так и при реновации существующих зданий.

Данной технологии присвоено 10 международных и 9 патентов США. Методика утверждена нормативным документом США CSI 15740. Тепловые насосы стандартизированы по стандарту ARI–870-99.

Сравнительная эффективность

Tипичный геотермальный тепловой насос
Воздушный тепловой насос повышенной эффективности
Стандартный воздушный тепловой насос
Электрическое отопление

Простота и надёжность работы

Постоянную, удобную и надёжную работу отопительно – охлаждающих систем обеспечивает установка с минимальным числом движущихся компонентов, чистой рабочей средой и наличием восстанавливаемого источника энергии. ECR достигла таких показателей после длительных исследований и испытаний системы EarthLinked^TM в самых различных климатических условиях.

Благодаря минимизации используемых компонентов разработана установка, которая дешёво и легко устанавливается и занимает меньшую площадь по сравнению с аналогами.

Система управления ECR позволяет установить нужный уровень хладагента без помощи измерительных приборов, графиков и дополнительных устройств.

Когда производители воздушных тепловых насосов разрабатывали мощные спиральные трубы и более дорогие компрессоры для повышения эффективности, ECR вырабаты-вала новую методику использования другого источника тепла.

В то время, когда производители геотермальных тепловых насосов сосредотачивали свою работу на улучшении технологии изготовления систем “промежуточных” жидкостей и испарителей, ECR исключила их в целях повышения надёжности работы и уменьшения потери тепла.

Возможность инсталляции U-образных трубопроводов “прямого” типа горизонтально, вертикально или диагонально позволяет установить оборудование на минимальных площадях и рассчитать его мощность и функции самым экономичным образом так, чтобы они соответствовали конкретным требованиям.

Возможны варианты обогревания воздуха и воды, охлаждения, а также комбинированного использования системы.

Дополнительные устройства для обогрева воды

Система регулирования ECR EarthLinked^TM позволяет присоединить два водяных теплообменника. Во время цикла кондиционирования избыточное тепло может быть также использовано для обогрева воды. Кроме обогрева воды для бытовых нужд, тепловой насос можно оборудовать теплообменниками для обогрева воды с целью отопления помещений, бассейнов, и т.д.

Преимущества EarthLinked^TM GeoExchange Comfort Systems

По сравнению с типичными геотермальными тепловыми насосами с промежуточным испарителем:

• Более эффективная работа компрессора, испарителя и конденсатора за счёт системы управления скоростью движения хладагента и устройства контроля активной зарядки.
• В случае необходимости может работать в реверсном (обогрев-кондиционер) режиме.
• Работоспособность сохраняется и теплоэнергия производится даже в случае заледенения поверхности испарителя (U-образного трубопровода).
• Отсутствует необходимость в “промежуточном” длинном трубопроводе.
• Более высокая работоспособность, надёжность и легкое обслуживание за счёт минимизации механических движущихся частей и электроники.
• При вертикальном или диагональном вариантах установки испарителя в землю оборудуются скважины с диаметром 50мм, по сравнению с альтернативными скважинами диаметром до 150мм, при этом для проведения работ требуется наличие минимальной площади.
• По сравнению другими альтернативами расходы на установку системы меньше.

По сравнению с типичными воздушными тепловыми насосами повышенной эффективности:

• Эксплуатационные расходы уменьшаются на 33% в год.
• Может быть расположен в подсобном помещении или в подвале, поскольку не требуется циркуляции воздуха вокруг внешней спирали.
• Работает бесшумно, поскольку система закрытая, отсутствуют внешний вентилятор и мотор.
• Конденсатор и испаритель защищены от воздействия внешних факторов (погодные условия, механические повреждения и т.д.)
• Приблизительно на половину меньше и легче, чем воздушный тепловой насос.
• Не существует проблем с замерзанием частей установки и их последующим оттаиванием.
• Высокая надёжность работы и минимальные затраты времени на обслуживание
• Электрически более простая система в связи с отсутствием необходимости периодического оттаивания установки.
• Более высокая продолжительность срока работы компрессора.

СХЕМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ТЕПЛОВОГО НАСОСА

На входе в испаритель хладагент должен быть в жидком виде. Процесс испарения должен заканчиваться в выходной трубе испарителя. Это называется условием оптимально «затопленного» испарителя. При этом из испарителя не должен выходить не испаренный хладагент.

До разработки системы регулирования ECR отсутствовал простой метод контроля, который обеспечил бы каждому устройству во время всего цикла работы хладагент с оптимальными параметрами.

Обычные системы регулирования состоят из электронных раширяющихся клапанов, вентилей, капиллярных трубок и накопительных емкостей. Ни одна комбинация из названных компонентов не может создать условия, сравнимые с системой ECR, а именно:

• полностью конденсируемый конденсатор (с минимальным переохлаждением);
• постоянно «затопленный» испаритель (с минимальным переохлаждением);
• попадание в компрессор только не перегретого горячего пара без жидкого хладагента;
• простая методика контроля заполнения системы хладагентом.

Принцип работы системы регулирования хладагента

Для обеспечения нормальной работы тепловых насосов, холодильных агрегатов и кондиционеров, хладагент должен входить в основные устройства (компрессор, конденсатор и испаритель) в подготовленном физическом состоянии. Для работы компрессора нужен сухой, не перегретый пар. Пар должен покрывать всю поверхность конденсатора, чтобы обеспечить наилучший теплообмен. При выходе из конденсатора давление хладагента должно обеспечить окончание конденсирования непосредственно перед выпуском её в выходную трубу – в испаритель.

Система регулирования хладагента ECR заменяет обычные устройства сбора и расширения, повышает эффективность и улучшает надёжность работы тепловых насосов всех типов при любых внешних условиях.

Конструкция контрольной системы активной зарядки (КАЗ)

Установка контроля активной зарядки (КАЗ) заменяет ёмкость сбора хладагента стандартных систем и представляет собой термически изолированный резервуар.

Жидкий хладагент направляют через фитиль в термический контакт с входящим из испарителя паром. Пар захватывает жидкость и направляет её через дифлекторные диски обратно в резервуар. Если входящий пар находится в перегретом состоянии, то часть жидкого хладагента тоже испаряется, минимизируя этим перегрев. Если входящий пар содержит жидкость, она остаётся в резервуаре. В обоих случаях пар, выходящий из КАЗ, не содержит жидкого хладагента и температура его оптимальна.

КАЗ обеспечивает запас хладагента, чтобы его объём в системе никогда не уменьшался до критического. При необходимости хладагент добавляется в систему или аккумулируется в резервуаре, благодаря чему объём и температура хладагента в системе оптимальны. При этом тепловой насос работает с максимальной эффективностью.

Преимущества контрольной системы активной зарядки:

• Исключена возможность попадания жидкого хладагента в компрессор.
• Выполняет функцию резервуара, который позволяет системе работать, изменяя объём хладагента в оптимальном режиме.
• Испаритель находится в “затопленном” режиме и в компрессор не попадает перегретый пар.
• Улучшается всасывающее давление и ёмкостные параметры компрессора.
• Обеспечивает постоянную циркуляцию компрессорного масла, захваченного хладагентом.
• Даёт возможность легко установить и проверить уровень хладагента в системе.
• Благодаря повышенному давлению всасывания понижает температуру и нагрузку компрессора.

Конструкция контрольной системы движения жидкого хладагента (КДЖ)

Контрольная система движения жидкого хладагента (КДЖ) заменяет термические и электронные разширяющие клапана, фитили с фиксированным диаметром и капиллярные трубы. КДЖ управляет, в зависимости от давления пара, скоростью движения хладагента из конденсатора в испаритель. Не допуская переохлаждения пара на поверхности конденсатора, КДЖ пропускает в испаритель только жидкий хладагент. Кроме этого, КДЖ препятствует “продуванию пара” через конденсатор. Эффективность теплового насоса повышается, поскольку на поверхности конденсатора пар не переохлаждается, давление его падает и нагрузка на компрессор понижается.

Преимущества контрольной системы движения жидкого хладагента:

• В зависимости от режима конденсатора определяет оптимальную скорость движения хладагента в системе.
• Не позволяет «продувание пара» через конденсатор.
• Препятствует переохлаждению пара в конденсаторе таким образом, чтобы вся поверхность конденсатора была активной.
• Понижает давление выходящего из конденсатора пара и нагрузку на компрессор.

ПРОЕКТЫ ДЕМОНСТРАЦИИ И МОНИТОРИНГА ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ И СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ECR

Представление продукции ECR началось в 1986 году через разные программы, созданные за счёт частного капитала и инвестиций предприятий в области энергетики:

• В Центре Солнечной Энергии во Флориде был представлен и испытан тепловой насос с водяным теплообменником, разработанный в ECR. Эффективность по сравнению с электрическими обогревателями воды составляет 400%.
• Демонстрации тепловых насосов EarthLinkedTM мощностью от 7 kВт до 18 kВт в частных жилых домах и производственных зданиях показали, что экономия потребляемой воздушными тепловыми насосами электроэнергии составляет до 31% в режиме кондиционирования и до 45% в режиме обогрева. По сравнению с другими геотермальными тепловыми насосами эффективность выше на 25%.
• Проект модификации стандартного воздушного теплового насоса мощностью 7 kВт с системами управления ECR (спонсор Florida Power Corporation) доказал, что рост эффективности за счёт систем регулирования составляет в режиме кондиционирования 13% и в режиме отопления - 10%.
• В 1991 году был получен сертификат испытательной лаборатории ETL (США) на модификацию воздушных тепловых насосов с системами управления активной зарядкой и движением жидкости.
• В 1996 году установили ряд геотермических тепловых насосов ECR EarthLinkedTM в рамках проекта – идеи «Дом – наследие будущего» (Concept Home of Heritage Homes. Maple Glen, Pasadena). В данном проекте установленные тепловые насосы выполняют следующие функции:
  - принудительное отопление и кондиционирование воздуха;
  - альтернативный интегрированный обогрев воды для отопления помещений и для бытовых нужд.

Ни одна другая компания не выполнила эту задачу без использования дорогих электронных систем регулирования.

Опубликованная в период с 1988г. по 1999г. литература о продукции фирмы ECRTechnologies Inc.:

1. “Neo-Geo Heat Pump,” Popular Science, 6/88.
2. “ECR’s Direct Expansion Earth-Coupled Heat Pump System,” International Energy Agency Heat Pump Center Newsletter, 6/88.
3. “ECR Technologies Develops Energy-Efficient Products,” Florida Venturing, 4/89.
4. “Earth-Coupled Heat Pump Project Captures Florida Energy Award,” The HVACR NEWS, 8/14/89.
5. “New Heat Pump Charge Control Saves Time, Money,” The HVACR NEWS, 12/9/96.
6. “Geothermal System Can Perform Multiple Functions,” Earth Comfort Update, 3/97.
7. “Four-In-One Heat Pump Performs Multiple Functions,” The HVACR NEWS, 8/25/97.
8. “Direct GeoExchange Comfort Systems: Technology Increases Performance and Reduces Costs,” Innovations, 5/98, Copper Development Association, Inc.
9. “GeoExchange Said to Put Money in the Pockets of Dealers, Customers,” The Air Conditioning, Heating and Refrigeration NEWS, March 1999