Главная Статьи Насосы Тепловые насосы - знакомые незнакомцы. Часть 1

Тепловые насосы - знакомые незнакомцы. Часть 1

Умел бы тепловой насос говорить, то, прежде всего, представился бы российскому потребителю так - "Будем знакомы. Я являюсь тем самым оптимальным вариантом решения для российской энергетики с точки зрения энергоэффективности и технологичности в области отопления и кондиционирования жилых зданий и промышленных объектов".

И действительно, это одна из главных задач в области энергоэкономики,  которую пытаются решить все,  в том числе и российские эксперты по климатическому оборудованию и обращают свое внимание  на конкретные примеры использования тепловых насосов как альтернативы традиционному оборудованию для отопления помещений.

Обывателю, еще со школьной скамьи по физике должно помниться, что тепловой насос - это устройство для переноса тепловой энергии от источника с более низкой температурой к источнику с более высокой температурой, а фактически это холодильник с источником более низкой температуры во внешней среде или же кондиционер, работающий на нагрев.

Циркуляционные насосы	Насосы центробежные для воды и отопления	Скважинные насосы	Автоматические насосные станции
Grundfos UPS 100 Grundfos Alpha 2 Grundfos UPA	Grundfos TP Grundfos CR	Grundfos SQ, SQE	Grundfos MQ Grundfos JP Hydrojet Grundfos JP

В России пока еще довольно настороженно относятся к тепловым насосам как виду тепловых генераторов, хотя уже давно доказана их экономичность. На сегодняшний день главная задача использования тепловых насосов на российских просторах – это извлекать тепло для обогрева помещений, максимально экономя сырьевые ресурсы,  потому что самое замечательное свойство тепловых насосов - это их способность извлекать теплоту из окружающей среды: грунта, воды водоемов и даже окружающего воздуха. Температура этих сред может быть даже отрицательной (от -10С до -15С),  а температура воды, нагреваемой тепловым насосом, может достигать от +60С до +80С.

Нам привычно, что количество тепловой энергии, получаемой на выходе теплового генератора, всегда меньше энергии, отобранной непосредственно у энергоносителя (газа, топлива, электричества), т.е. КПД котла всегда меньше 100%.  С помощью теплового насоса при затрате всего лишь 0,25-0,4 кВт электроэнергии реально получить 1 кВт тепловой энергии. Остальную энергию поставляет окружающая среда. Вот потому мировое сообщество уже давно и активно эксплуатирует эти приборы. По прогнозам, доля отопления и горячего водоснабжения с помощью тепловых насосов в развитых странах мира к 2020 году составит 75% . Мы же в своей стране пока еще боимся отойти от строительства традиционных котельных, работающих на сырье, и только сегодня начинаем понимать, что экономия во всём - наше будущее благосостояние. Время, как говорят, упущено и необходимо идти в ногу с мировым сообществом.

Поскольку тепловой насос работает по способу холодильника с разницей, что холодильник извлекает тепло из продуктов, которые мы в него заложили для сохранения, и рассеивает это тепло в окружающее пространство, то тепловой насос извлекает тепло из окружающего пространства и передает его в теплообменник, т.е. с точностью до наоборот с холодильником. И в тепловом насосе и холодильнике используются два свойства жидкости:

• при переходе жидкости из одного фазового состояния в другое, из жидкости в пар (кипение) или же наоборот - из пара в жидкость (конденсация). Т.е. происходит либо поглощение теплоты, либо ее выделение. В термодинамике - теплота фазового перехода;
• при уменьшении давления жидкость начинает кипеть (испаряться) при более низкой температуре. В тепловых насосах и холодильниках используются специальные вещества - фреоны или хладоны, которые кипят при температуре от -20С до -30С. Эти т.н. хладагенты являются рабочим телом холодильной машины, циклические изменения агрегатного состояния которых, позволяют производить перенос теплоты от среды с низкой  к  более высокой температуре. Среда с низкой температурой называется источником низкопотенциального тепла, которым могут быть грунт, водоем или воздух.

Принцип работы теплового насоса

Основными элементами теплового насоса являются соединенные трубопроводом: испаритель, компрессор, конденсатор и дроссель (регулятор потока) - по ним циркулирует т.н. рабочее тело (фреон). Схематично тепловой насос можно представить в виде системы из трех замкнутых контуров: в первом, внешнем контуре, циркулирует теплоотдатчик (теплоноситель, собирающий теплоту окружающей среды), во втором контуре – хладагент (вещество, которое испаряется, отбирая теплоту теплоотдатчика, и конденсируется, отдавая теплоту теплоприемнику), в третьем контуре – теплоприемник (вода в системах отопления и горячего водоснабжения здания). К испарителю тем или иным способом подводится теплота от низкопотенциального источника тепла, это может быть грунт, вода, воздух. Непосредственно в теплообменнике испарителя теплота передается рабочему телу, а именно фреону, который находится под низким давлением и при данной температуре закипает. Образовавшийся пар втягивается в компрессор и там сжимается. При сжатии температура пара повышается от +90С до +100С. Горячий фреон под давлением поступает в конденсатор (теплообменник), по внешнему контуру которого циркулируют вода или воздух, являющиеся теплоносителем для системы отопления. В конденсаторе пары фреона конденсируются на холодных поверхностях, передают свою теплоту теплоносителю внешнего контура, а сами, охлаждаясь, переходят в жидкую фазу. Далее жидкий фреон проходит через дросселирующий вентиль, после которого его давление резко уменьшается, а температура становится ниже температуры источника низкопотенциального тепла. завершая цикл, фреон снова попадает в испаритель и далее цикл повторяется снова - кипение, испарение, охлаждение и т.д. Таким образом работают тепловые насосы парокомпрессионного типа, которые обычно используются в бытовых установках. С

В чем же заключается эффективность работы теплового насоса? Его отличие от топливных источников тепла состоит в том, что для работы топливного насоса, кроме энергии для компрессора, ему также нужен источник низкопотенциального тепла. Тепловой насос берет тепловую энергию у среды, температура которой может быть отрицательной, и закачивая в теплоноситель, доведит ее до  высокоположительных температур (от +60С до +80С). При этом тепловой насос расходует только электроэнергию, которая ему необходима для работы компрессора. В традиционных же тепловых источниках вырабатываемое тепло зависит исключительно от теплотворной способности используемого топлива. В процессе работы теплового насоса его компрессор затрачивает только электроэнергию.  На каждый кВч   электроэнергии тепловой насос вырабатывает 2,5-5 кВч тепловой энергии. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической имеет название "коэффициент трансформации" или "коэффициент преобразования теплоты", который и служит показателем эффективности использования теплового насоса.

Способы отбора низкопотенциального тепла.

В настоящее время весьма эффективным направлением рассматривается вариант внедрения  в практику отечественного строительства широкого применения теплонасосных систем, использующих  грунт поверхностных слоев земли в качестве повсеместного доступного источника тепла низкого потенциала. При использовании тепла земли можно выделить два вида тепловой энергии - высокопотенциальную (гидротермальные ресурсы) и низкопотенциальную. В отличие от "прямого" использования высокопотенциального тепла в России (Камчатка, район Кавказских минеральных вод),  использование низкопотенциального тепла земли посредством тепловых насосов возможно повсеместно.

Так как источниками низкопотенциального тепла могут быть разные среды - грунт, вода, воздух, то и способы отбора теплоты бывают разные.

1. Грунтовые зонды - это когда тепло отбирается из одной или нескольких скважин глубиной 32-  35 м и более. Известно, что температура грунта на этой глубине постоянно одинакова и составляет около +10С.  Вертикальные грунтовые теплообменники коаксиального типа обычно располагаются снаружи по периметру здания, если их несколько. Поскольку режим работы тепловых насосов, использующих тепло земли и тепло удаляемого воздуха, постоянный, а потребление горячей воды переменное, то система горячего водоснабжения должна быть оборудована баками-аккумуляторами. Тепловая мощность глубоких зондов составляет от 30 до 100 Вт на погонный метр скважины. Стоит отметить, что глубина и количество скважин зависят от вида грунта и тепловой мощности, которая необходима потребителю.

2. Грунтовые коллекторы. Достоинством открытых систем является возможность получения большого количества тепловой энергии при относительно низких финансовых затратах. Если скважины требуют обслуживания, то при помощи грунтовых коллекторов тепло отбирается из неглубокого слоя земли (1-2 метра) при помощи горизонтально уложенных полиэтиленовых труб, по которым циркулирует незамерзающих теплоноситель и совершенно не обязательно укладывать контур труб ниже уровня промерзания грунта. Конфигурация укладки труб (змейкой, спиралью и пр.) зависит от грунта и геометрии придомового участка. Тепловая мощность грунтового коллектора составляет от 10 до 35 Вт на погонный метр трубы.

3. Водяные коллекторы. В данном случае трубы укладываются на дно непромерзающего водоема. Что касается экономичности оборудования такого вида коллектора, то этот вариант более экономичен по сравнению с грунтовым, т.к. не требует производства земляных работ. Однако, условия для реализации варианта водяного коллектора достаточно редки.

4. Воздушные контуры. Данный вид тепловых насосов в качестве источника тепла используют окружающий воздух. Он эффективен при температуре окружающего воздуха до -10С. В этом случае коэффициент преобразования тепла воздушных тепловых насосов достигает от 3-х до 3,8 при максимальной температуре воды в системе отопления 55С.   При температуре наружного воздуха ниже -10С, эффективность насоса снижается, в таком случае нужно подключать второй (резервный) нагревательный котел (дизельный или электрический). Для этих целей в конструкциях некоторых моделей тепловых насосов предусмотрены встроенные ТЭНы. Следует отметить, что воздушные тепловые насосы получили дополнительное развитие с возможностью использования теплового воздуха вытяжных вентиляционных систем жилого дома. Таким образом дополнительное тепло направляется на увеличение эффективности теплового насоса или на подогрев грунта вокруг грунтовых коллекторов.