Тепловые насосы

Среднегодовая мощность прямого солнечного воздействия в средней полосе России на один квадратный метр поверхности составляет 150-250 Вт. Возобновляемые, в основном, за счет инсоляции тепловые ресурсы верхних слоев Земли до глубины 200 метров оцениваются в 0,4 – 1,0  млрд. т условного топлива в год. Приповерхностные геотермальные ресурсы рассредоточены практически повсеместно, в том числе по регионам, не имеющим местных источников ископаемого сырья. Одним из возобновляемых источников за счет инсоляции тепловых ресурсов верхних слоев Земли до губины 200 метров является тепловой насос.

Тепловой насос — это устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой. Термодинамически тепловой насос аналогичен холодильной машине. Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель — теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Схема работы те...

Рисунок 1 Принцип действия парокомпрессионного теплового насоса.

Таблица

Таблица 1 Сравнение отопительного оборудования со сроком окупаемости.

 

Как и холодильная машина, тепловой насос потребляет энергию на реализацию термодинамического цикла (привод компрессора). Коэффициент преобразования теплового насоса — отношение теплопроизводительности к электропотреблению — зависит от уровня температур в испарителе и конденсаторе и колеблется в различных системах в диапазоне от 2,5 до 5, то есть на 1 кВт затраченной электрической энергии тепловой насос производит от 2,5 до 5 кВт тепловой энергии. Температурный уровень теплоснабжения от тепловых насосов 35 — 55 °C. Экономия энергетических ресурсов достигает 70 % . Промышленность технически развитых стран выпускает широкий ассортимент парокомпрессионных тепловых насосов тепловой мощностью от 5 до 1000 кВт.

Энергетическая эффективность теплового насоса:

● Тепловой насос осуществляет трансформацию тепловой энергии с низкого температурного уровня на более высокий, необходимый потребителю.

●  При этом на привод компрессора затрачивается механическая (электрическая) энергия. При наличии низкопотенциального источника количество тепла, поставляемого потребителю, в несколько раз превышает затраты энергии на привод компрессора.

●  Отношение полезного тепла к работе, затрачиваемой на привод компрессора, называется  коэффициентом преобразования (или коэффициентом трансформации) теплового насоса φ, и в наиболее распространенных теплонасосных системах он достигает 3 и более. Коэффициент  φ тем выше, чем меньше разница температур двух уровней.

● Объем среды низкопотенциального тепла должен быть гораздо больше объема отапливаемого помещения.

Сфера применения тепловых насосов — это теплоснабжение зданий  и сооружений различного типа (отопление, горячее водоснабжение и охлаждение воздуха), технологический цикл ряда производств:

● Объекты жилищного строительства (коттеджи, многоквартирные дома, бассейны).

● Объекты социального назначения (административные здания, гостиницы, больницы, санатории, спортивные торговые и развлекательные центры и другие).

● Производственные и административные помещения различного типа.

● Сельскохозяйственные объекты (теплицы, животноводческие комплексы и  другие).

●  Объекты пищевой промышленности (молочные, сыроваренные и колбасные производства и другие).

● Объекты ЖКХ и ТЭК (ТЭС, ТЭЦ).

Существуют следующие типы тепловых насосов:

Типы тепловых н...

Тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью механической энергии (электроэнергии), в то время как абсорбционные тепловые насосы могут также использовать тепло в качестве источника энергии (с помощью электроэнергии или топлива).

В зависимости от источника отбора тепла тепловые насосы подразделяются на:

Геотермальные (используют тепло земли, наземных либо подземных грунтовых вод)

а) замкнутого типа

горизонтальные

Горизонтальный геотермальный тепловой насос. Коллектор размещается кольцами или извилисто в горизонтальных траншеях ниже глубины промерзания грунта (обычно от 1,20 м и более) Такой способ является наиболее экономически эффективным для жилых объектов при условии отсутствия дефицита земельной площади под контур.

вертикальные

Коллектор размещается вертикально в скважины глубиной до 200 м[9]. Этот способ применятся в случаях, когда площадь земельного участка не позволяет разместить контур горизонтально или существует угроза повреждения ландшафта.

водные

Коллектор размещается извилисто либо кольцами в водоеме (озере, пруду, реке) ниже глубины промерзания. Это наиболее дешевый вариант, но есть требования по минимальной глубине и объему воды в водоеме для конкретного региона.

б) открытого типа

Подобная система использует в качестве теплообменной жидкости воду, циркулирующую непосредственно через систему геотермального теплового насоса в рамках открытого цикла, то есть вода после прохождения по системе возвращается в землю. Этот вариант возможно реализовать на практике лишь при наличии достаточного количества относительно чистой воды и при условии, что такой способ использования грунтовых вод не запрещен законодательством.

воздушные (источником отбора тепла является воздух)

Использующие производное (вторичное) тепло (например, тепло трубопровода центрального отопления). Подобный вариант является наиболее целесообразным для промышленных объектов, где есть источники паразитного тепла, которое требует утилизации.

По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на шесть типов: «грунт—вода», «вода—вода», «воздух—вода», «грунт—воздух», «вода—воздух», «воздух—воздух».

Типы промышленных моделей

По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на шесть типов: «грунт—вода», «вода—вода», «воздух—вода», «грунт—воздух», «вода—воздух», «воздух—воздух». Почти все вновь выходящие на рынок устройства используют тепло выпускаемого из помещения воздуха. Также фильтруют и увлажняют при необходимости всасываемый извне воздух.

Отбор тепла от воздуха

Эффективность и выбор определённого источника тепловой энергии сильно зависит от климатических условий, особенно, если источником отбора тепла является атмосферный воздух. По сути этот тип более известен в виде кондиционера. В жарких странах таких устройств десятки миллионов. Для северных стран наиболее актуален именно обогрев зимой. Системы "воздух-воздух" используются и зимой при температурах до минус 25 градусов, некоторые модели продолжают работать до -40 градусов. Но их эффективность резко падает. При более сильных морозах нужно дополнительное отопление.

Отбор тепла от горной породы

Скальная порода требует бурения скважины на достаточную глубину (100 -200 метров) или нескольких таких скважин. В скважину опускается U-образный груз с двумя пластиковыми трубками,составляющими контур. Трубки заполняются антифризом. По экологическим соображениям это 30% раствор этилового спирта. Скважина заполняется грунтовыми водами естественным путём, и вода проводит тепло от камня к теплоносителю. При недостаточной длине скважины или попытке получить от грунта сверхрасчётную мощность, эта вода и даже антифриз могут замёрзнуть что и ограничивает максимальную тепловую мощность таких систем. Именно температура возвращаемого антифриза и служит одним из показателей для схемы автоматики. Ориентировочно на 1 погонный метр скважины приходится 50-60 Вт тепловой энергии. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной около 170 м. Нецелесообразно бурить глубже 200 метров, дешевле сделать несколько скважин меньшей глубины через 10 - 20 метров друг от друга. Даже для маленького дома в 110 - 120 кв.м. при небольшом энергопотреблении срок окупаемости 10 - 15 лет. Почти все имеющиеся на рынке установки работают и летом, при этом тепло (по сути солнечная энергия) отбирается из помещения и рассеивается в породе или грунтовых водах. В скандинавских странах со скальным грунтом гранит выполняет роль массивного радиатора, рассеивающего тепло летом/днём и получающего его обратно зимой/ночью. Также тепло постоянно приходит из недр Земли и от грунтовых вод.

Отбор тепла от грунта

Самые эффективные но и самые дорогие схемы предусматривают отбор тепла от грунта, чья температура не меняется в течении года уже на глубине нескольких метров, что делает установку практически независимой от погоды. По данным  2006 года в Швеции полмиллиона установок, в Финляндии 50 000, в Норвегии устанавливалось в год 70 000. При использовании в качестве источника тепла энергии грунта трубопровод, в котором циркулирует антифриз, зарывают в землю на 30-50 см ниже уровня промерзания грунта в данном регионе. На практике 0,7 - 1,2 метра. Минимальное рекомендуемое производителями расстояние между трубами коллектора — 1,5 метра, минимум - 1,2. Здесь Не требуется бурение, но требуются более обширные земельные работы на большой площади, и трубопровод более подвержен риску повреждения. Эффективность такая же, как при отборе тепла из скважины. Специальной подготовки почвы не требуется. Но желательно использовать участок с влажным грунтом, если же он сухой, контур надо сделать длиннее. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 м трубопровода в год: в глине - 50-60 Вт, в песке - 30-40 Вт для умеренных широт, на севере значения меньше. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длиной 350—450 м, для укладки которого потребуется участок земли площадью около 400 м² (20х20 м). При правильном расчёте контур не влияет на зелёные насаждения.

Отбор тепла от водоёма

При использовании в качестве источника тепла близлежащего водоёма контур укладывается на дно. Глубина не менее 2 метров. Коэффициент преобразования энергии тепловым насосом такой же как при отборе тепла от грунта. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода — 30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длиной 300 м. Чтобы трубопровод не всплывал, на 1 пог. м устанавливается около 5 кг груза. Промышленные образцы: 70 - 80 кВт*ч/м в год.

Если тепла из внешнего контура всё же недостаточно для отопления в сильные морозы, практикуется эксплуатация насоса в паре с дополнительным генератором тепла (в таких случаях говорят об использовании бивалентной схемы отопления). Когда уличная температура опускается ниже расчётного уровня (температуры бивалентности), в работу включается второй генератор тепла — чаще всего небольшой электронагреватель.

Классификация тепловых насосов:

1. Грунтовые ТН. Общепринятое сокращенное наименование GHP (Geothermal heat pump - Геотермальный ТН) или GSHP (Ground-source heat pump -Земляной ТН). Получают тепло из поверхностного слоя грунта (до глубины 2,5 м) или из скважин, пробуренных в грунте до глубины 50-150 м и служат для преобразования его в тепло, идущее на теплоснабжение и ГВС.

2. Водяные ТН. Сокращенное наименование WSHP (Water-source heat pump). Есть 2 варианта использования: а) получают тепло от поверхностных или подземных источников воды (ВИЭ) и служат для преобразования его в тепло, идущее на теплоснабжение и ГВС, б) используются в качестве элементов систем отопления, вентиляции и кондиционирования для перераспределения тепла внутри здания.

3. Воздушные ТН. Сокращенное наименование ASHP (Air-source heat pump– Воздушный ТН). Получают тепло из наружного воздуха или воздуха, отводимого системой вентиляции.

Первая  теплонасосная станция, использующая шахтную воду, была построена в городе  Новошахтинске Ростовской области.

Станция забирает шахтную воду с температурой 18 °С из скважины          с глубины 390 м объемом 100 м3/час и сбрасывает отработанную воду, охлажденную до 12 °С, через другую скважину на глубину 100 м.

Эта станция обеспечивает теплоснабжение и ГВС зданий социального назначения общей площадью 26,5 тыс. м2.

Современные тепловые насосы

Фунции современных тепловых насосов:

● Режим ожидания.

● Дневной режим.

● Ночной режим.

● Автоматический режим.

● Режим ГВС.

● Дополнительный источник нагрева

Итоги мониторинга работы теплового насоса:

●  температура источника низкопотенциального тепла (грунта) на момент ввода оборудования в эксплуатацию в 2006 году составляла 7 °С. После первой недели эксплуатации она упала до 2,5 °С и постепенно уменьшалась с увеличением отопительной нагрузки. Наименьшее значение температуры грунта (от –2,5 до –2,8 °С) приходится на самые холодные дни, когда отбор тепла идет наиболее интенсивно. С уменьшением отопительной нагрузки в конце сезона повышается и температура источника до 0,5 °С. После завершения отопительного сезона отогрев грунта до 7 °С происходит в течение 2–3 месяцев, когда тепловой насос работает только на приготовление горячей воды;

●  средняя температура наружного воздуха за отопительный сезон 2006–2007 годов составила       1,4 °С, за сезон 2007–2008 гг. 3,8 °С;

●  средняя отопительная мощность за отопительный сезон 2006–2007 гг. 14,2 кВт, за сезон 2007–2008  годов 12 кВт;

● средний коэффициент преобразования энергии за два года эксплуатации 4,0;

● общие затраты на отопление и ГВС за отопительный сезон 2007–2008 г. составили 28711 руб. При этом в доме всегда поддерживалась температура 22 °С (т.е. не использовался энергосберегающий потенциал автоматики теплового насоса);

● температура в линии подачи системы «теплый пол» варьировалась в пределах 28–38 °С, в зависимости от нагрузки, в контурах радиаторного отопления  35–45 °С;

● температура нагрева горячей воды составляла 47 °С, что при объеме бойлера-аккумулятора    400 л обеспечивало вполне комфортное пользование. Для периодической дезинфекции системы ГВС в нее была встроена электронагревательная вставка. Она включается один-два раза в неделю и нагревает воду до 80 °С;

● общий объем воды с температурой 47 °С, приготовленный тепловым насосом за 7 месяцев, составил 71 м3; пользователю это обошлось в 2450 руб. Коэффициент преобразования энергии по системе ГВС — 2,7;

● установка работает без сбоев. Специалисты ежемесячно осуществляют ее диагностику (дистанционно). Профилактический осмотр проводится один раз в полгода.

Преимущества и недостатки

К преимуществам тепловых насосов в первую очередь следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт·ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2-0,35 кВт·ч электроэнергии. Так как преобразование тепловой энергии в электрическую на крупных электростанциях происходит с кпд до 50 %, эффективность использования топлива при применении тепловых насосов повышается. Упрощаются требования к системам вентиляции помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.

Еще одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фэн-койлы или системы "холодный потолок".

Тепловой насос надежен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков.

Важной особенностью системы является ее сугубо индивидуальный характер для каждого потребителя, который заключается в оптимальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего.

Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.

К недостаткам тепловых насосов, используемых для отопления, следует отнести большую стоимость установленного оборудования.

 

Наши представительства в ЦЧР:

  • (4722) 372-230
  • (473) 250-2232
  • (4712) 311-423
  • (4742) 392-596