Конференция Тепловые насосы

Исследование применения Тепловых насосов в системе теплоснабжения.

Введение

Тепловой насос – это устройство, позволяющее забирать из окружающей среды  энергию, преобразуя ее в  тепло или холод, с помощью которых люди могут обогревать свои дома в период отопительного сезона или наоборот охлаждать его, когда это необходимо. Тепло, полученное таким образом, позволяет также нагревать воду, используя ее для системы горячего водоснабжения в доме.Надо также отметить, что тепло, получаемое при работе теплового насоса, на три четверти обходится человеку бесплатно, к тому же при его работе не происходит загрязнения окружающей среды.Тепловые насосы применяются практически во всех развитых странах мира. Используются три основных типа: парокомпрессионные, абсорбционные и термоэлектрические. Массовое распространение с объемом выпуска около 2-х млн. в год получили парокомпрессионные тепловые насосы с электроприводом компрессора. Постоянно совершенствуются тепловые насосы абсорбционного типа, расширяющая область их внедрения. В последние годы активизировались исследования абсорбционных тепловых насосов на твердых абсорбентах. Тепловые насосы способны не только отапливать помещения, но и обеспечивать горячее водоснабжение, а также осуществлять кондиционирование воздуха. Но при этом в тепловых насосах должен быть реверсивный клапан, именно он позволяет тепловому насосу работать в обратном режиме.

Основная часть.

Для простоты тепловой насос и принцип его работы наглядно можно показать на примере холодильника, поскольку он представляет тепловой насос наоборот. Тепловые насосы подразделяются на четыре основных вида по типу отбора тепла из окружающей среды:

-воздушные;

-грунтовые;

-водяные;

-комбинированные,

в свою очередь, каждая группа делится еще на два класса по типу теплоносителя в системе – воздух или вода.

Т.е бывают тепловые насосы:

• тепловой насос грунт-вода (или рассол-вода, использование грунтового зонда);

• тепловой насос вода-вода (открытая систма, использование водяной скважины);

• тепловой насос вода-воздух (использование зондов или скважины + воздушная система отопления);

тепловой насос воздух-воздух

Принцип действия теплового насоса достаточно прост, а именно: Принцип работы теплового насоса основан на всеизвестном цикле Карно.

• .

Внутренний контур тепловых насосов состоит из следующих компонентов:

• Конденсатор;

• Капилляр;

• Испаритель;

• Компрессор, работающий от электрической сети.

компрессор гоняет по контуру, который может находиться на открытом воздухе, быть зарытым в грунт или опущенным на дно водоема, хладагент, температура кипения которого может составлять  - минус 42 гр. по Цельсию; земля, вода и даже воздух в самое холодное время всегда теплее, чем хладагент.

За счет разницы температур происходит нагрев хладагента, который в свою очередь отдает полученное таким образом тепло через специальный теплообменник теплоносителю – воде или воздуху.

Так как при работе теплового насоса полученное тепло превышает затраты на электроэнергию, необходимую в основном для работы компрессора, СОР – коэффициент производительности теплового насоса всегда больше единицы, на практике от 2,5 до 5, и в среднем составляет 3,5. Т.е. на 1 кВт затраченной электроэнергии тепловой насос выдает в среднем 3,5 кВт тепла.

Система отопления тепло­вым насосом состоит из источника тепла, теплово­го насоса, а также агрега­тов распределения и акку­мулирования тепла. При этом теплопередача осу­ществляется путем низко­температурного нагрева. Чем ниже температура воды в подводящем трубо­проводе, тем эффективнее работа всей установки.. В ка­честве источника тепла можно использовать воз­дух, землю или грунтовые воды. Главное преимуще­ство воздуха — его доступ­ность, тогда как земные недра и грунтовые воды — оптимальные теплоаккумуляторы с относительно постоянной в течение все­го года температурой.

Помимо этого, во внутреннем контуре теплового насоса есть:

• Терморегулятор, который управляет устройством;

• Хладагент, циркулирующий в системе газ с определёнными физическими свойствами и характеристиками.

Хладагент под высоким давлением через капиллярное отверстие попадает в испаритель, где за счёт резкого уменьшения давления происходит процесс испарения. При этом хладагент отбирает тепло у внутренних стенок испарителя, а испаритель в свою очередь отнимает тепло у земляного или водяного контура, за счёт чего он постоянно охлаждается. Компрессор вбирает хладагент из испарителя, сжимает его, за счёт чего температура хладагента резко повышается и выталкивает в конденсатор. Кроме этого, в конденсаторе, нагретый в результате сжатия хладагент отдает тепло (температура порядка 85-125 градусов Цельсия) отопительному контуру и переходит в жидкое состояние. Процесс повторяется постоянно. Когда температура в доме достигает необходимого уровня, электрическая цепь разрывается терморегулятором и тепловой насос перестает работать. Когда температура в отопительном контуре падает, терморегулятор вновь запускает тепловой насос. Таким образом хладагент в тепловом насосе совершает обратный цикл Карно.

ВЫВодКак мы видим, тепловые насосы перекачивают рассеяную тепловую энергию земли, воды или даже воздуха в относительно высокопотенциальное тепло для отопления объекта. Примерно 75% отопительной энергии можно собрать бесплатно из природы: грунта, воды, воздуха и только 25% энергии необходимо затратить для работы самого теплового насоса. Другими словами, владельцы тепловых насосов экономят 3/4 средств, которые он бы регулярно тратил на дизтопливо, газ или электроэнергию для традиционного отопления. Попросту говоря, тепловой насос с помощью теплообменников собирает тепловую энергию из земли (воды, воздуха) и «переносит» ее в помещение.

• Принцип работы теплового насоса

 

К очевидным преимуществам тепловых насосов можно отнести:

— экономичность. Низкое энергопотребление достигается за счет высокого КПД (от 300 % до 800 %) и позволяет получить на 1 кВт фактически затраченной энергии 3-8 кВт тепловой энергии или до 2,5 кВт мощности по охлаждению на выходе. Тепловая энергия, имеющаяся во внешней среде, — восстанавливаемый и практически неограниченный источник

— экологичность. Экологически чистый метод отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования как для окружающей среды, так и для людей, находящихся в помещении. Применение тепловых насосов — это сбережение невозобновляемых энергоресурсов и защита окружающей среды, в том числе и путем сокращения выбросов СО₂ в атмосферу. Тепловые насосы — это установки, осуществляющие обратный термодинамический цикл на низкокипящем рабочем веществе, черпают возобновляемую низкопотенциальную тепловую энергию из окружающей среды, повышают ее потенциал до уровня, необходимого для теплоснабжения, затрачивая в 1,2 — 2,3 раза меньше первичной энергии, чем при сжигании топлива.

— безопасность. Нет открытого пламени, нет выхлопа, нет сажи, нет запаха солярки, исключена утечка газа, розлив мазута. Нет пожароопасных хранилищ для угля, дров, мазута или солярки;

— надежность. Минимум подвижных частей с высоким ресурсом работы… Независимость от поставки топочного материала и его качества. Защита от перебоев электроэнергии. Практически не требует обслуживания. Срок службы тепловых насосов составляет не менее 25-30 лет.

— комфорт. Тепловой насос работает бесшумно (не громче холодильника), а погодозависимая автоматика и мультизональный климатический контроль создают комфорт и уют в помещениях.

— гибкость. Тепловые насосы совместимы с любой циркуляционной системой отопления, а современный дизайн позволяет устанавливать их в любых помещениях.

— универсальность по отношению к виду используемой энергии (электрической или тепловой);

Тепловые насосы «грунт—воздух» с достаточно глубоко размещенными «внешними» змеевиками могут хорошо работать даже в местах, где зимы суровые. На глубине нескольких метров под землей температура постоянная и составляет по крайней мере 10 °С (50 °F) в большинстве местностей

Недостатки тепловых насосов

Тепловые насосы хорошо работает, если температура вне дома выше 4 °С (39 °F), но когда становится холоднее, то во внешней среде оказывается недостаточно тепловой энергии для обеспечения их эффективной работы.

В старых системах в качестве хладагента использовался хлор-фтор-углерод (ХФУ, CFC), при утечках которого разрушается озоновый слой. Малое количество ХФУ может разрушить большое число молекул озона. Озоновый слой помогает экранировать поверхность Земли от чрезмерного облучения УФ-из-лучением Солнца.

Воздух, который приходит от теплового насоса, имеет температуру около 35 °С (95 °F). Это теплее, чем обычная температура в доме, но холодный дом обогреть быстро не удастся.

Установка теплового насоса сравнительно дорога. Это особенно справедливо для термальных источников, расположенных глубоко под землей. Потребуется достаточно много времени, чтобы новая система окупила себя

Для мягких зим. Противники тепловых насосов в качестве решающего аргумента приводят тот факт, что в условиях суровых зим такие системы отопления не справляются с возложенной на них задачей. Обратившись к опыту европейских стран, в которых подобные устройства эксплуатируются уже на протяжении многих лет, можно убедиться, что это утверждение соответствует действительности. Схема отопления с возобновляемым теплом как единственный метод обогрева может применяться только в странах с мягким климатом, где температура никогда не опускается ниже 5–7 °С. Ну а жители северных государств, используя тепловой насос в качестве основного источника тепла, как правило, дополнительно устанавливают еще и «классический» котел. Разумеется, возможны также варианты с установкой локальных – электрических или инфракрасных – обогревателей, а также каминов или печей-каминов. Таким образом, необходимость использования дополнительных источников тепла в доме является еще одной причиной, по которой схемы с возобновляемым теплом до сих пор проигрывают по популярности своим «классическим» аналогам.

Тепловым насосом называется машина, которая поглощает низкопотенциальную теплоту из окружающей среды с температурой 4 - 6 градусов Цельсия и выше и передает ее в систему теплоснабжения потребителей в виде нагретой воды или воздуха. Передача тепла производится рабочим телом - хладагентом (фреоном). Электроэнергия, потребляемая тепловым насосом, тратится лишь на перемещение фреона по системе с помощью компрессора точно так же, как в холодильных машинах. Система работает как котел при отоплении и как кондиционер при охлаждении. Зимой система тепло неостывшей земли передает в дом. Этот же цикл используется и при нагреве воды. Летом излишки тепла в доме передаются через теплообменник в обратном направлении.

В качестве низкопотенциального источника тепловой энергии для обогрева дома может быть использовано тепло естественного происхождения (наружный воздух; тепло грунтовых, артезианских и термальных вод; воды рек, озер, морей и других незамерзающих природных водоемов). Тепловые насосы комплектуется системой управления и автоматики, которая поддерживает заданный режим работы теплового насоса.

Энергетическая эффективность применения тепловых насосов зависит от температуры низкопотенциального источника и будет тем выше, чем более высокую температуру он будет иметь.

Экономическая эффективность применения тепловых насосов зависит от:

• температуры низкопотенциального источника тепловой энергии;  • стоимости электроэнергии в регионе;  • себестоимости тепловой энергии, производимой с использованием различных видов топлива. Использование тепловых насосов вместо традиционно используемых источников тепловой энергии экономически выгодно ввиду:

• отсутствия необходимости в закупке, транспортировке, хранении топлива и расходе денежных средств, связанных с этим;  • высвобождения значительной территории, необходимой для размещения котельной, подъездных путей и склада с топливом.

Установка не нарушает целостность интерьера и концепцию фасада здания, т.к. нет внутреннего и внешнего блока и занимает минимум пространства и о ней станет известно Вашим гостям только, если Вы этого захотите.  Тепловые насосы не относятся к дешевому оборудованию. Начальные затраты на установку этих систем несколько выше стоимости обычных систем отопления и кондиционирования. Цена геотермального теплового насоса рассчитывается из условия 300..400 USD за 1кВт тепловой мощности. Однако, если рассматривать эксплуатационные расходы, то первоначальные вложения в геотермальный обогрев, охлаждение и горячее водоснабжение быстро окупаются за счет энергосбережения. Кроме того, необходимо учитывать, что при работе теплового не требуется никаких дополнительных коммуникаций, кроме бытовой электрической сети.

Установка этих систем потребует проведения внутренних электромонтажных работ, прокладку внутренних воздуховодов, монтаж внешнего теплообменника. Стоимость этих работ зависит от Ваших требований и расценок монтажной фирмы.

Различают следующие конструкции геотермальных насосов:

• насос с открытым циклом:

теплоноситель подается непосредственно из водоема и после прохождения цикла охлажденным возвращается обратно;

• насос с закрытым циклом:

теплоноситель прокачивается через замкнутый контур, который может быть проложен глубоко в земле или по дну водоема. Это более экологически безопасный метод, чем открытый цикл;

• насос с горизонтальным теплообменником:

замкнутый контур теплообменника укладывается горизонтально в глубокие траншеи;

• насос с вертикальным теплообменником:

замкнутый контур теплообменника устанавливается вертикально в подготовленные отверстия. Применяется в тяжелом грунте или при ограниченности пространства участка. Наиболее эффективной считается тепловой насос с замкнутым циклом: теплоноситель прокачивается через замкнутый контур, который может быть проложен глубоко в земле или по дну водоема.

При работе этих систем используется возобновляемое тепло солнечного излучения, которое накоплено в земле. Поэтому применение тепловых насосов снижает затраты энергии полученной путем сжигания топлива и соответственно снижает выброс в атмосферу токсичных веществ. Кроме того, применение воздушных систем отопления позволяет контролировать состояние воздуха в Вашем доме, удалять вредные примеси, частицы пыли, споры, различные аллергены и запахи.

Учитывая компактность, экономичность и простоту в обслуживании, тепловые насосы по совокупности эксплуатационных параметров могут представлять интерес для различных категорий потребителей тепловой энергии.

Принцип действия теплового насоса Охлажденный теплоноситель, проходя по внешнему трубопроводу нагревается на несколько градусов Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом. Хладагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газообразное. Это происходит при низком давлении и температуре -5°С. Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где он сжимается до высокого давления и высокой температуры. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник, конденсатор. В конденсаторе происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам. При прохождении хладагента через редукционный клапан давление понижается, хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.

• .

• .

Достоинства тепловых насосов

• Экономичность. Тепловой насос использует введенную в него энергию на голову эффективнее любых котлов, сжигающих топливо. Величина КПД у него много больше единицы. Между собой тепловые насосы сравнивают по особой величине - коэффициенту преобразования тепла (Кпт), среди других его названий встречаются коэффициенты трансформации тепла, мощности, преобразования температур. Он показывает отношение получаемого тепла к затраченной энергии. К примеру, Кпт = 4,5 означает, что, подведя к машине 1 кВт, на выходе мы получим 4,5 кВт тепловой мощности, то есть 3,5 кВт природа предлагает нам безвозмездно;

• Повсеместность применения. Источник рассеянного тепла можно обнаружить в любом уголке планеты. Земля и воздух найдутся и на самом заброшенном участке, вдали от газовых магистралей и линий электропередач - везде этот агрегат раздобудет для себя "пищу", чтобы бесперебойно отапливать ваш дом, не завися от капризов погоды, поставщиков дизельного топлива или падения давления газа в сети. Даже отсутствие нужных 2-3 кВт электрической мощности не помеха. Для привода компрессора в некоторых моделях используют дизельные или бензиновые двигатели;

• Экологичность. Тепловой насос не только экономит деньги, но и сбережет здоровье обитателям дома и их наследникам. Агрегат не сжигает топливо, значит, не образуются вредные окислы типа CO, СO2, NOх, SO2 , PbO2. Потому вокруг дома на почве нет следов серной, азотистой, фосфорной кислот и бензольных соединений. Да и для планеты применение тепловых насосов - благо. Ведь по большому счету на ТЭЦ сокращается расход топлива на производство электричества. Применяемые же в тепловых насосах фреоны не содержат хлоруглеродов и озонобезопасны;

• Универсальность. Тепловые насосы обладают свойством обратимости (реверсивности). Он "умеет" отбирать тепло из воздуха дома, охлаждая его. Летом избыточную энергию иногда отводят на подогрев бассейна;

Безопасность. Эти агрегаты практически взрыво- и пожаробезопасны. Нет топлива, нет открытого огня, опасных газов или смесей. Взрываться здесь просто нечему, нельзя также угореть или отравиться. Ни одна деталь не нагревается до температур, способных вызвать воспламенение горючих материалов. Остановки агрегата не приводят к его поломкам или замерзанию жидкостей. В сущности, тепловой насос опасен не более чем любой бытовой прибор. Преимущества тепловых насосов:

• Высокая экономичность теплового насоса достигается за счет высокого коэффициента преобразования энергии 4-5, что обеспечивает получение на 1 кВт затраченной электроэнергии 4-5 кВт тепловой энергии.

• Надежен и не требует дополнительного обслуживания. Срок эксплуатации грунтовых зондов может достигать 100 лет, а движущаяся часть системы - компрессор, срок службы которого составляет 25 лет, может быть легко заменен.

• Отсутствие необходимости в закупке, транспортировке, хранении топлива. Высвобождение территории, необходимой для размещения котельной, дымохода, хранилища топлива.

• Абсолютно взрыво и пожаробезопасен, прост в управлении. Экологически чистый метод отопления и кондиционирования, отсутствуют выбросы CO2, NOХ и других продуктов горения.

• Система с тепловым насосом обеспечивает комфортные условия в помещениях: минимальные колебания температуры и влажности, отсутствие шума.

• Тепловой насос занимает минимум места.

• Независимость от поставок и цен на газообразное и жидкое топливо, отсутствует необходимость в газопроводе и газоснабжении.

В Пассивном доме необходимо лишь поддерживать комфортные температурные условия и обеспечивать приготовление горячей воды. Для реализации этих целей идеально подходит тепловой 

При применении тепловых насосов необходимо помнить, что для всех типов тепловых насосов характерен ряд особенностей:

• Во-первых, тепловой насос оправдывает себя только в хорошо утепленном здании, то есть с теплопотерями не более 100 Вт/м2. Чем теплее дом, тем больше выгода. Как вы понимаете, отапливать улицу, собирая на ней же крохи тепла, - занятие глупое;

• Во-вторых, чем больше разница температур теплоносителей во входном и выходном контурах, тем меньше коэффициент преобразования тепла (Кпт), то есть меньше экономия электроэнергии. Поэтому более выгодно подключение агрегата к низкотемпературным системам отопления. Прежде всего, имеется в виду обогрев от водяных полов или теплым воздухом, так как в этих случаях теплоноситель по медицинским требованиям не должен быть горячее 35°С. Низкая эффективность теплового насоса

Серьезной альтернативой традиционным отопительным системам может

стать тепловой насос. Источником энергии для теплового насоса служит электричество, но поскольку тепловой насос не производит тепло, а лишь собирает его, то для получения 1 кВт тепловой энергии ему нужно затратить всего 200-250 Вт электроэнергии. Самым экономичным по стоимости тепловым насосом является насос работающий на принципе ≪воздух-вода≫. Он извлекает тепло из воздуха. Но у него есть предел эффективности работы, показатель температуры в -25 градусов Цельсия. Поэтому его лучше использовать в комбинации с другими источниками тепла, например твёрдотопливным котлом. Насос плюс котел Наибольшей популярностью пользуется «тандем» из теплового насоса и электрического либо газового котла. Дизельное оборудование используется на порядок реже, что связано с высокой стоимостью и неэкологичностью горючего, на котором оно работает. А твердотопливные котлы и вовсе редкость – из-за низкого уровня их автоматизации

Вывод:

Тепловые насосы представляют собой компактные агрегатированные установки. Основные элементы тепловых насосов: компрессор, испаритель, конденсатор, терморегулировочный вентиль и микропроцессор, управляющий режимом работы тепловых насосов. Энергетическая эффективность теплового насоса оценивают с помощью коэффициента преобразования «е», который представляет собой отношение теплопроизводительности к потребляемой мощности. Кроме того, коэффициент преобразования зависит от температур источника теплоты и теплоносителя в подающей линии отопления или горячего водоснабжения. Для тепловых насосов, применяемых в системах теплоснабжения при разности этих температур около 40 - 50 °С е  3 - 4,5. При указанных значениях физических параметров экономия первичного топлива по сравнению с теплоснабжением от котельной с к.п.д, равным n=(0,7-0,9)% составляет около 20-40%..

.

В странах СНГ тепловые насосы как целевое оборудование не производятся. Имеется опыт применения в качестве тепловых насосов серийно выпускаемых холодильных машин, технические параметры которых на 20...40% ниже зарубежных.

Для достижения приемлемого уровня отечественных  технологий необходима кооперация отечественного и зарубежного капитала с целью создания совместных предприятий на территории

На  первом  этапе   широкого   внедрения  тепловых   насосов   необходимо также  решить  задачу установления целевых таможенных льгот и кредитования.

Необходимо отметить, что внедрение тепловых насосов в существующие системы носит эксклюзивный характер, т.е. всегда представляет собой конкретное инженерное решение.

Готовятся предложения по  комплексному применению тепловых насосов на объектах жилищно-коммунального хозяйства, что позволит поддерживать параметры теплоносителя в централизованной системе отопления 55 и 12С на прямом и обратном трубопроводах теплоносителя и уменьшить объем его циркуляции на (30-40) %.