Стремление уменьшить затраты первичной энергии (потребление топлива) без снижения или даже с увеличением отдачи энергии конечному потребителю за счет более рационального способа ее преобразования — главная тенденция современной техники. Это относится и к системам теплоснабжения зданий и промышленных объектов.

Отдавая в конечном виде энергию в форме низкотемпературной теплоты (вода ниже 100 или воздух ниже 50°С), эти системы потребляют для нагрева высококачественное топливо в котельных с нагревом продуктов сгорания до 1500°С, либо, что еще более расточительно, электроэнергию.

Тепловой насос призван в максимальной степени заменить отопительные огневые и электронагревательные установки.

Просто о сложном

Принцип действия теплового насоса на самом деле очень прост и знаком всем нам. У каждого в доме есть холодильник. Он охлаждает продукты во внутренней камере, при этом его внешний контур ощутимо нагревается. Представьте, что внутренняя камера холодильника выросла до размеров дома. Это будет тепловой насос, работающий в режиме охлаждения (кондиционирования). Если поменять местами рабочие контуры, получим тепловой насос, работающий в режиме обогрева.

А если вас интересуют подробности - читайте ниже...

1. Принцип действия теплового насоса

Использование альтернативных экологически чистых источников энергии может предотвратить назревающий энергетический кризис в Украине. Наряду с поисками и освоением традиционных источников (газ, нефть), перспективным направлением является использование энергии, накапливаемой в водоемах, грунте, геотермальных источниках, технологических выбросах (воздух, вода, стоки и др.). Однако температура этих источников довольно низкая (0–25°С) и для эффективного их использования необходимо осуществить перенос этой энергии на более высокий температурный уровень (50–100 °С). Реализуется такое преобразование тепловыми насосами (TH), которые, по сути, являются парокомпрессионными холодильными машинами (рис. 1).

Низкотемпературный источник (ИНТ) нагревает испаритель (3), в котором хладагент кипит при температуре –10°С…+5°С. Далее тепло, переданное хладагенту, переносится классическим парокомпрессионным циклом к конденсатору (4), откуда поступает к потребителю (ПВТ) на более высоком уровне.

Тепловые насосы используют в различных отраслях промышленности, жилом и общественном секторе. В настоящее время в мире эксплуатируется более 10 млн. тепловых насосов различной мощности: от десятков киловатт до мегаватт. Ежегодно парк ТН пополняется примерно на 1 млн. штук. Так, в Стокгольме тепловая насосная станция мощностью 320 МВт, используя зимой морскую воду с температурой +4 °С, обеспечивает теплом весь город [4]. В 2004 г. мощность тепловых насосов, установленных в Европе, составляла 4 531 МВт, а во всем мире тепловыми насосами была получена тепловая энергия эквивалентная 1,81 млрд. м³ природного газа. Перспективность применения тепловых насосов в Украине показана в [5].

Тепловые насосы подразделяют по принципу действия (компрессорные, абсорбционные) и по типу цепи передачи «источник-потребитель тепла». Различают следующие тепловые насосы: воздух-воздух, воздух-вода, вода-воздух, вода-вода, грунт-воздух, грунт-вода, где первым указывается источник тепла. Типовая схема гидравлического теплового насоса приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема гидравлическая теплового насоса:

• 1 – компрессор;
• 2 – источник теплоты низкого уровня (ИНТ);
• 3 – испаритель теплового насоса;
• 4 – конденсатор теплового насоса;
• 5 – потребитель теплоты высокого уровня (ПВТ);
• 6 – низкотемпературный теплообменник;
• 7 – регулятор потока хладагента;
• 8 – высокотемпературный теплообменник

Тепловой насос с гидравлической обвязкой (водяными насосами, теплообменниками, запорной арматурой и др.) называют тепловой насосной установкой. Если среда, охлаждаемая в испарителе, такая же, как и среда, нагреваемая в конденсаторе (вода-вода, воздух-воздух), то путем изменения потоков этих сред можно изменить режим ТН на обратный (охлаждение на нагрев и наоборот). Если среды – газы, то такое изменение режима называют обратимым пневматическим циклом, если жидкости – обратимым гидравлическим циклом (рис. 2).

Рис. 2. Схема теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом

В случае, когда обратимость цикла осуществляется изменением направления хладагента с помощью клапана обратимости цикла, используют термин «тепловой насос, работающий в обратимом холодильном цикле».

2. Низкопотенциальные источники тепла

В системах кондиционирования широко используются тепловые насосы типа «воздух-воздух». Наружный воздух продувается через испаритель, а тепло, отводимое от конденсатора, нагревает воздух в помещении. Преимуществом таких систем является доступность воздуха. Однако температура воздуха (источника тепла) изменяется в большом диапазоне, достигая отрицательных значений. При этом эффективность теплового насоса сильно снижается. Так, изменение температуры наружного воздуха с 7°С до минус 10°С приводит к снижение производительности теплового насоса в 1,5–2 раза.

В тепловых насосах с водяными источниками тепла (реки, озера, моря) используется накопленная энергия солнца. Эта энергия является идеальным источником для тепловых насосов, так как она поступает непрерывно, хотя и является менее доступной, чем воздух. Температура воды в незамерзающих водоемах не опускается ниже 4°С, а артезианская вода имеет почти постоянную температуру 10°С. Учитывая, что при отборе тепла воду нельзя охлаждать ниже 0°С, перепад температуры на теплообменнике составляет несколько градусов. При этом для отбора необходимого количества тепла требуется увеличивать расход воды.

Контур отбора тепла из водоема может быть открытым или закрытым. В первом случае вода из водоема перекачивается через охладитель, охлаждается и возвращается в водоем. Такая система требует фильтрации подаваемой в охладитель воды и периодической чистки теплообменника. Закрытый контур укладывается на дно водоема. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода закрытого контура составляет порядка 30 Вт [2]. То есть для получения 10 кВт тепла контур должен иметь длину 300 м. Для того, чтобы контур не всплывал, на 1 погонный метр необходимо устанавливать груз около 5 кг.

Энергетически эффективны тепловые насосы, использующие геотермальные и подземные воды. В США федеральным законодательством утверждены требования по обязательному использованию геотермальных тепловых насосов (ГТН) при строительстве новых общественных зданий. В Швеции 50% всего отопления обеспечивается геотермальными тепловыми насосами. К 2020 г. по прогнозам Мирового энергетического комитета доля геотермальных тепловых насосов составит 75%. Срок службы ГТН составляет 25–50 лет.

В грунтовых ТН используется тепловая энергия, накопленная в грунте за счет нагрева ее солнцем или другими источниками. При горизонтальном исполнении трубопровод, в котором циркулирует жидкость, зарывается в землю на глубину ниже уровня промерзания почвы (1,0–1,5 м). Минимальное расстояние между трубами 0,8–1,0 м. Предпочтительным является влажный грунт. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода составляет 20–30 Вт. Таким образом, для получения 10 кВт тепла необходим земляной контур длиной 350–500 м, который можно разместить на участке земли площадью 400–500 м².

При вертикальном исполнении грунтового ТН бурится скважина глубиной 60–200 м, в которую опускается U-образный трубопровод. Срок службы грунтового коллектора зависит от кислотности почвы: при нормальной кислотности (pH =5,0) – 50–75 лет, при повышенной (pH <5,0) – 25–30 лет.

Типовая принципиальная схема тепловой насосной установки приведена на рис. 3.

a	б	в

Рис. 3. Типовая принципиальная схема тепловой насосной установки:

• а – водоем;
• б – грунтовой коллектор;
• в – геотермальная скважина;
• 1 – датчик наружной температуры;
• 2 – датчик температуры в помещении;
• 3 – фэнкоил;
• 4 – обогреваемый пол;
• 5 – гидромодуль;
• 6 – система горячего водоснабжения;
• 7 – бойлер;
• 8 – расширительный бак;
• 9 – тепловой насос;
• 10 – бак-аккумулятор;
• 11 – промежуточный теплообменник

3. Эффективность тепловых насосов

По данным www.aeroprof.by, применение ТН в 1,2–1,5 раза выгоднее самой эффективной газовой котельной и в 6–7 раз выгоднее электрических котлов. Годовая экономия относительно обогрева электроэнергией при отопительной мощности 5 кВт составит 1200–1600 кВт·ч. Повысить эффективность тепловых насосов можно, используя аккумуляторы холода.

Эксплуатационные расходы на отопление жилого дома площадью 180 м² (1700 часов в год) с помощью ТН в 6 (!) раз ниже, чем с помощью электрического котла.

4. Пример построения теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом

Рассмотрим пример построения теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом, работающего круглогодично в двух режимах (охлаждение или нагрев) в зависимости от периода года с использованием оборудования компании CIAT (Франция.

Исходные требования:

1. Теплопроизводительность 510 кВт.
2. Низкотемпературный источник – морская вода с температурой:
• теплый период года ≤20°С,
• холодный период года 7°С.
3. Высокотемпературный потребитель – вода с температурой на выходе теплообменника 55°С.
4. Минимальная температура наружного воздуха – минус 10°С (Крым, Украина).

Данную задачу решим, используя тепловой насос с обратимым гидравлическим циклом, схема которого приведена на рис. 2.

Учитывая, что температура наружного воздуха отрицательная (минус 10°С) и для исключения использования специального теплообменного оборудования (конденсатор, испаритель) в водоохладителе, применяем двухконтурную систему. В первичном контуре применяем раствор этиленгликоля с температурой замерзания ниже -10°С (20-процентная смесь этиленгликоля с водой).

В соответствии с исходными требованиями выберем перепад температур на выходном высокотемпературном контуре Dt_вых = 5 °С (50/55 °С). Тогда температуры теплоносителя в контуре конденсатора должны быть соответственно 55/60 °С. Для получения таких температур в тепловом насосе целесообразно использовать хладагент R134a [1].

В соответствии с исходными требованиями зададим перепад температур ИНТ 7/4 °С, тогда в контуре испарителя перепад температур соответственно составит 5/2 °С.

Используя программу подбора оборудования фирмы CIAT, определим тип и параметры теплового насоса в режимах работы на нагрев и охлаждение. Программа рекомендовала водоохлаждающую машину HYDROCIAT 2500B X LW/LWP R134a с параметрами, приведенными в табл. 1, внешний вид которой показан в табл. 5.

Таблица 1. Технические характеристики водоохлаждающей машины HYDROCIAT 2500B X LW/LWP R134a

Далее подбираем пластинчатый высокотемпературный теплообменник «тепловой насос – потребитель» по следующим исходным данным (режим нагрева):

1. Температура воды (выход-вход): 55/50°С.
2. Температура 20-процентного раствора этиленгликоля в первичном контуре (выход-вход): 60/55 °С.
3. Расход 20-процентного раствора этиленгликоля: 93,4 м³/ч (см. табл. 1).

Программа CIAT выбрала пластинчатый теплообменник PWB 30 11 c 43 пластинами производительностью 517 кВт (табл. 2).

Таблица 2. Технические характеристики теплообменника PWB 30 11 с 43 пластинами (тепловой насос – потребитель) в режиме нагрева

Низкотемпературный теплообменник «морская вода – тепловой насос» в режиме нагрева подбираем по следующим исходным данным:

1. Источник низкопотенциальной теплоты (первичный контур): морская вода с температурой вход/выход – 7/4 °С.
2. Температура 20-процентного раствора этиленгликоля в первичном контуре 5/2 °С.
3. Расход 20-процентного раствора этиленгликоля 102,8 м³/ч.

Программа CIAT выбрала пластинчатый теплообменник PWB 45 11 c 63 пластинами производительностью 340 кВт (табл. 3).

Таблица 3. Технические характеристики теплообменника PWB 45 11 c 63 пластинами (море – тепловой насос)

Выполним проверочный расчет рассчитанного ранее теплообменника PWB 30 11 с 43 пластинами для теплого периода года и определим температуры воды на выходе/входе потребителю.

Программа CIAT показала, что в летний период производительность теплообменника PWB 30 11 составит 437 кВт и температуры холодоносителя составят (выход/вход) 7,5/12 ºС. (табл. 4)

Таблица 4. Технические характеристики теплообменника PWB 30 11 с 43 пластинами (тепловой насос – потребитель) в режиме охлаждения

Таким образом, подобранный тепловой насос HYDROCIAT 2500 XLW/LWP R134a обеспечивает:

• в холодный период года теплопроизводительность 517 кВт при потребляемой мощности 191 кВт;
• в теплый период года холодопроизводительность 395,9 кВт при потребляемой мощности 158 кВт.

Ниже представлена рассчитанная выше принципиальная схема теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом.

Рис. 4. Принципиальная схема теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом

Вывод

1. Тепловые насосы, использующие возобновляемые источники тепла, являются самым энергетически эффективным отопительным оборудованием.
2. Системы, построенные на базе ТН, надежные, безопасные и долговечные.
3. Получение тепла посредством теплового насоса – экологически чистый технологический процесс.
4. Современное климатическое оборудование позволяет создать ТН с производительностью от десятков кВт до МВт.

Наши объекты