Эволюция тепловых насосов

П. Ландквист, профессор кафедры прикладной термодинамики и холодильной техники, президент комиссии Е2 Международного института холода

Проанализировав последние 35 лет, в течение которых по нарастающей идет внедрение тепловых насосов – технологии, позволяющей преобразовывать низкопотенциальную энергию окружающей среды в тепловую, было выявлено множество, как положительных моментов, так и ошибок. В данной статье на примере Швеции показано, куда за это время сместились приоритеты развития тепловых насосов и как различные стимулы изменили их рынок и технологию.

1975–1985: годы становления

Этот период характеризуется различными амбициозными инициативами, исследованиями и разработками. Кроме того, было проведено большое количество полевых измерений и исследований.

Определенным успехом на рынке пользуются тепловые насосы неглубокого залегания с грунтовым источником тепла, часто со змеевиками прямого расширения. Эта технология получила поддержку Департамента энергетики Швеции. Выделяются щедрые государственные субсидии и гранты, результатом которых в начале 1980 х годов становится «всплеск» интереса к тепловым насосам. В 1985 году в системе централизованного теплоснабжения уже работает около 100 тепловых насосов мегаваттной мощности, кроме этого около 110 000 насосов малой мощности использовались в жилых домах.

Тепловые насосы также становятся объектом исследований для университетов, особенно Королевского института технологий (Kungliga Tekniska Hogskolan – далее KTH) и Чалмерского Университет Технологий (Chalmers tekniska hogskola – далее Chalmers). Системы с грунтовым источником тепла исследовались в Техническом институте Ланда (Lund tekniska hogskola – далее LTH).

Одним из главных достижений этого периода стало создание руководства по грунтовым источникам (Claesson 1985), в котором рассматривались все виды систем отопления, охлаждения и хранения энергии. Математические модели из этого руководства до сих пор используются в качестве основы для воссоздания поведения источников теплоты для систем тепловых насосов с грунтовыми источниками.

В Стокгольме был построен самый большой тепловой насос, мощностью 250 МВт, который мог покрывать до 60 % общей тепловой нагрузки сети централизованного теплоснабжения Стокгольма.

Проблем с хладагентами не возникало: вопросы истощения озонового слоя и глобального потепления были неизвестны. В системах с грунтовым источником обычно использовался R22 или R502. Уникальная особенность того времени – работа многих систем исследовалась с момента создания еще длительное время, что позволило накопить существенный опыт.

Типичные показатели эффективности для односемейных жилых домов:

h _Карно = 0,4–0,5, SPF 1 = 2,0–2,5 (грунтовый источник), 1,5–2,2 (наружный воздух) и 2,0–2,5 (вытяжной воздух).

1986–1995: крушение рынка и прекращение использования хладагента

Начало периода характеризуется существенным снижением стоимости мазута, уменьшением государственных субсидий и ростом процентных ставок. Это вызвало крушение рынка и банкротство многих компаний.

Прекращение использования фреона еще более усложнило жизнь производителей. Швеция оказалась на передовой запрета озоноразрушающих веществ и запустила первую национальную исследовательскую программу в области альтернативных хладагентов: R143 быстро стал заменой для R12, R404A и R507 – для R502, а затем R407C – для R22.

В начале 1990 х был объявлен конкурс на наиболее эффективный тепловой насос. Хотя новые агрегаты не были совершенны по многим техническим показателям, они встряхнули рынок данного оборудования. Было установлено большое количество тепловых насосов «воздух – воздух», которые еще не были полностью адаптированы для работы в данных климатических условиях: изменение температуры наружного воздуха выше или ниже ожидаемых границ вызывали неполадки.

Появились пластинчатые теплообменники, позволившие существенно уменьшить объем используемого хладагента и снизить разницу температур в теплообменнике. Компрессоры становились все более эффективными с коэффициентами давления, более подходящими для работы с тепловыми насосами. Кроме того, рыночная конкуренция и рационализация значительно снизили стоимость бурения.

Типичные показатели эффективности тепловых насосов

Для односемейных жилых домов:

h _Карно = 0,45–0,55, SPF = 2,5–3,0 (грунтовый источник), 2,0–2,5 (наружный воздух) и 2,5–3,5 (вытяжной воздух).

Для системы централизованного теплоснабжения:

h _Карно = 0,60–0,65, SPF = 2,5–3,0 (сточные воды

10 °C, централизованное теплоснабжение

1996–2000: восстановление рынка

Данный период можно охарактеризовать некоторым восстановлением рынка, особенно для установок малой мощности, таких как тепловые насосы, использующие в качестве источника теплоты вытяжной воздух (ТН с ВВ). Данные агрегаты устанавливались преимущественно в новых домах и выполняли функцию систем рекуперации теплоты для бытового горячего водоснабжения, что соответствовало строительным требованиям, действующим на тот момент. Новые требования предполагали увеличение теплоизоляции зданий, благодаря чему отопительная нагрузка небольших жилых зданий снизилась. Тепловая мощность ТН с ВВ позволила покрывать приблизительно 50 % энергетической нагрузки (остальную часть обеспечивал вспомогательный электрический нагреватель). С этого времени ТН с ВВ стали стандартным решением для отопления малых и средних жилых домов, и их монтаж и подключение стало обычными услугами.

Были разработаны исследовательские программы, например «Climate 21», направленные на повышение эффективности и решение различных системных вопросов в сфере тепловых насосов и систем охлаждения. Исследования проводились научно-техническими университетами и исследовательскими институтами в тесном сотрудничестве с производителями тепловых насосов, теплообменников, систем управления, коммунальными предприятиями и инженерами-консультантами.

Проекты затрагивали всевозможные компоненты и параметры систем: теплопередачу, замену и минимизацию объема хладагента, компрессоров и насосов с переменной скоростью, восстановление скважин, интегрированные системы управления и т. д., а также влияние широкого применения тепловых насосов на национальные электрические сети (в частности, при использовании вспомогательного электрического отопления).

2001–2005: взлет рынка и совершенствование продукции

Наблюдается широкое распространение тепловых насосов. Образовался устойчивый рынок, особенно для установок, предназначенных для относительно больших односемейных домов – тепловых насосов с грунтовым источником (ТН с ГИ), в которых контроль производительности был стандартной функцией.

Действуют правительственные поддерживающие инвестиции, нацеленные на снижение расхода мазута и модернизацию домов с электрическим отоплением. Быстро внедряются тепловые насосы «воздух – вода»: появились новые модели, благодаря выгодной инвестиционной стоимости и/или неблагоприятным условиям для бурения. Злопыхателями инициирована дискуссия о потреблении электричества системами тепловых насосов. Становится более открытой конкуренция на рынке отопления между поставщиками биотоплива и централизованного теплоснабжения.

Конструкция тепловых насосов для жилого сектора становится более совершенной: с использованием систем управления, оптимально подбирающих температуру приточного теплоносителя к температуре наружного воздуха, с минимальным временем простоя между запусками системы, с использованием защитных циклов от легионеллы и т. д. В качестве конденсаторов и испарителей широко используются специальные теплообменники с более узкими каналами и, следовательно, более эффективными теплопередающими поверхностями. Кроме того, начали использоваться высоко эффективные насосы для циркуляции рассола и нагревающей воды. Предпочтение отдается спиральным компрессорам, а R407 С становится стандартным хладагентом.

Производительность установок продолжают повышать, но не скачкообразно, а постоянно:

Типичные показатели эффективности тепловых насосов

Для односемейных жилых домов:

h _Карно = 0,50–0,60, SPF = 2,5–3,5 (грунтовый источник), 2,0–3,0 (наружный воздух), 2,5–3,5 (вытяжной воздух).

Для системы централизованного теплоснабжения:

h _Карно = 0,65–0,70, SPF = 2,5–3,5 (сточные воды

10 °C, централизованное теплоснабжение

SPF = 4,0–6,0 (комбинированное отопление и охлаждение).

2006 – будущее: дальнейшее развитие

При наличии эффективного ТН с ГИ рыночная стоимость домов увеличивается. Это придает теплонасосным системам более высокий статус и значение. Все более распространяются установки с компрессором и/или насосами переменной скорости. Большую популярность приобретает пассивное охлаждение, т. е. использование скважины в качестве теплоотвода.

На рынок готовы выйти интеллектуальные рентабельные системы для модернизации зданий с прямым электрическим отоплением с водяным распределением теплоты. Так называемые «моновалентные» системы с использованием электричества не только для пиковых нагрузок становятся более распространенными и субсидируются электроснабжающими компаниями.

Растет интерес к тепловым насосам мощностью 25–40 кВт (и более), которые предполагается использовать в небольших многосемейных домах или офисных зданиях. Для увеличения производительности системы тепловые насосы устанавливаются по параллельной схеме. Действует около 100 мощных (более 200 кВт) тепловых насосов с грунтовым источником для отопления и охлаждения офисных зданий, для которых пробурено более 15 скважин общей глубиной > 3 000 м, а также около 40 систем с открытым контуром (грунтовые воды) большой мощности.

Внимание производителей обращается к рабочей жидкости теплового насоса: предпринимаются попытки введения новых требований или маркировки для продвижения так называемых натуральных хладагентов. Стандартным выбором является R407C или R404A, R410A или R134a.

Различные производители вкладывают немало сил в научные разработки. Для разработки тепловых наосов с грунтовым источником нового поколения строятся новые научно-исследовательские лаборатории, полностью интегрированные с соответствующими проектными офисами.

Итак, тепловые насосы с грунтовым источником в Швеции достигли высокого признания; порядка 30 % односемейных домов на данный момент отапливаются различными системами с тепловыми насосами. Таким образом, этот метод сегодня является предпочтительным для односемейных домов с умеренными энергетическими нагрузками. Для меньших домов с малыми энергетическим нагрузками стандартным решением являются тепловые насосы с источником теплоты из вытяжного воздуха. Но вполне возможно, что вскоре широкое распространение получат системы с двойным источником теплоты – вытяжной воздух и грунтовый теплообменник, поскольку это позволит достичь лучшего коэффициента энергетического покрытия, что согласуется с требованиями новых директив в области энергоэффективности.

Однако, несмотря на большие достижения, многие вопросы остаются открытыми. Необходимы научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по усовершенствованию как отдельных компонентов теплонасосных установок, так и систем в целом, включая решение вопросов, связанных с подключением систем к грунтовым источникам (скважины, конструкция коллектора, технологии бурения, методы геологической разведки участков и методики расчетов), пассивным охлаждением, двойными источниками тепла, технологиями покрытия пиковых нагрузок без использования электричества и т. д.

Подготовлено по материалам журнала REHVA. 2010. № 47 (4).

1 SPF – расчетный средний сезонный коэффициент эффективности тепловых насосов: отношение количества всей энергии, вырабатываемой тепловыми насосами в течение года, к количеству энергии, расходуемой на их работу, включая энергию, вырабатываемую резервным источником теплоснабжения (если предусмотрен).

kd150kv.org

Сайт о проблемах электроснабжения

Погода на завтра.

Реклама

Поиск в блоге

Категории в блоге

Заметки блога

Тепловые насосы

На сегодняшний день геотермальный тепловой насос является наиболее эффективной энергосберегающей системой отопления и кондиционирования. Геотермальные тепловые насосы получили широкое распространение в США, Канаде и странах Европейского Сообщества.

ГТН — системы устанавливаются в общественных зданиях, частных домах и на промышленных объектах. Толчок к развитию ГТН — системы получили после энергетических кризисов 1973 и 1978 годов. В начале своего развития ГТН — системы устанавливались в домах высшей ценовой категории, но за счет применения современных технологий геотермальные тепловые насосы стали доступны большинству потребителей. Они устанавливаются в новых зданиях или заменяют устаревшее оборудование с сохранением или незначительной модификацией прежней отопительной системы. Геотермальный тепловой насос был установлен даже в широко известном небоскребе Нью-Йорка The Empire State Building.

В мире – масштабы использования.

К настоящему времени масштабы внедрения геотермальных тепловых насосов в мире ошеломляют:

• В США ежегодно производится около 1 млн. геотермальных тепловых насосов. При строительстве новых общественных зданий используются исключительно геотермальные тепловые насосы. Эта норма была закреплена Федеральным законодательством США.
• В Швеции 70% тепла обеспечивается тепловыми насосами. В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается геотермальными тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими как источник тепла … Балтийское море с температурой + 8°С.
• В Германии предусмотрена дотация государства на установку тепловых насосов в размере 400 марок за каждый кВт установленной мощности.
• Общий объём продаж выпускаемых за рубежом ГТН составляет 125 млрд. долларов США, что превышает мировой объём продаж вооружений в 3 раза.
• В мире по прогнозам Мирового Энергетического Комитета к 2020 году доля геотермальных тепловых насосов в теплоснабжении составит 75%.

Какие преимущества позволили ГТН в столь короткий срок вытеснить традиционные источники энергии?

Экономичность. Низкое энергопотребление достигается за счет высокого КПД ГТН — системы (от 300% до 700%) и позволяет получить на 1 кВт затраченной энергии 3-7 кВт тепловой энергии или 15-25 кВт мощности по охлаждению на выходе. Система исключительно долговечна и прослужит от 25 до 50 лет без особого внимания к себе.

Универсальность. Один электронный модуль контролирует сразу все процессы — отопление, охлаждение и нагрев воды. Системный мониторинг осуществляется микропроцессорными средствами автоматики, автоматизированная система управления обеспечивает безопасный и эффективный режим работы теплового насоса и вспомогательного оборудования.

Комфорт. ГТН — система работает устойчиво, колебания температуры и влажности в помещении минимальны. Отсутствует шум. Применяется повсеместный климатический контроль.

Надежность. Содержит минимум подвижных частей, отсутствует внешнее оборудование. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют специальных навыков и описаны в инструкциях к конкретным моделям. Cрок эксплуатации земляного коллектора зависит от уровня кислотности почвы и может достигать 50-100 лет, при повышенном же «pH» — приблизительно 30 лет. Непосредственно в самой установке единственной движущей частью является компрессор, срок службы которого составляет 15 лет, и который можно легко и дешево заменить по истечении срока его эксплуатации.

Безопасность. Нет открытого пламени, отсутствуют выхлопы, сажа и другие вредные выбросы.

Эффективность и совместимость. Более чем в три раза эффективней традиционных систем. Тепловой насос совместим с практически любой циркуляционной теплопроводной отопительной системой, независимо от типа котла (теплообменника, бойлера и т.д.).

Экология. Экологически чистый метод отопления и кондиционирования, т.к. используется возобновляемая тепловая энергия земли. Насос не производит вредных выбросов, воздействие коллектора минимально, хладагент R407C, циркулирующий в агрегате, нетоксичен, безвреден для озонового слоя.

Дизайн. Установка ГТН не нарушает концепцию фасада здания (т.к. нет внутреннего и внешнего блока – в отличие от кондиционеров и сплит – систем), и занимает минимум пространства.

Кто является автором «идеи»?

В начале позапрошлого века, в 1852 г. лорд Келвин (Уильям Томсон) предложил практическое применение этого феномена, назвав его “умножителем тепла”. Тогда еще Келвин считал, что в силу ограниченности невосстанавливаемых ресурсов у его изобретения большое будущее, а затраты на отопление должны составлять всего 3% от существующих. В его «умножителе тепла», или как сейчас называют, геотермальном тепловом насосе, в качестве теплоносителя использовался воздух: он расширялся (охлаждаясь при этом) в специальной емкости, затем подавался в теплообменник, где нагревался наружным воздухом. При последующем сжатии до атмосферного давления воздух нагревался до температуры выше окружающей и после этого подавался в обогреваемое помещение, вызывая немалое удивление окружающих.

Принцип работы

ГТН — система работает как котел при отоплении и как кондиционер при охлаждении. Работа теплового насоса осуществляется в компрессионно-конденсаторном цикле. Теплоноситель (обычно вода, иногда энергия грунта и воздуха) подается из земли или водоема в тепловой насос, где низко-потенциальное тепло Земли отбирается и передается по системе воздуховодов или трубопроводов к потребителю. В качестве низкопотенциального источника тепловой энергии может быть использовано тепло как естественного происхождения (наружный воздух; тепло грунтовых, артезианских и термальных вод; воды рек, озер, морей и других незамерзающих природных водоемов), так и тепло техногенного происхождения (промышленные сбросы, очистные сооружения, тепло силовых трансформаторов и любое другое бросовое тепло).

Работа теплового насоса состоит из нескольких стадий (см. схему):

1. Теплоноситель, двигаясь по трубопроводу, проложенному, к примеру, в землю, прогревается на несколько градусов. Затем он, попадая в тепловой насос, идет через теплообменник (испаритель), передает тепло, накопленное в окружающей среде, во внутренний контур.

2. Внутренний контур наполнен хладагентом. Это вещество характеризуется крайне низкой температурой кипения. Оно проходит сквозь испаритель и преобразуется из жидкого состояния в газообразное. Это осуществляется в условиях низкой температуры и давления.

3. Газообразный хладагент из испарителя направляется в компрессор, где происходит его сжатие и повышение температуры;

4. Горячий газ проникается в следующий теплообменник (конденсатор). Именно там осуществляется теплообмен между теплым газом и теплоносителем. Хладагент передает собственное тепло в отопительную систему, охлаждается и вновь становится жидкостью. Сразу после этого нагретый теплоноситель (горячая вода в отопительной системе) направляется к отопительным приборам.

5. Во время прохождения хладагента сквозь редукционный клапан – уменьшается давление, хладагент движется в испаритель, и происходит повторение цикла. Сегодня тепловые насосы выпускаются тепловой мощностью от 2 кВт до 200 МВт.

Область применения тепловых насосов

Тепловые насосы нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, жилом и общественном секторах:

• в жилищно-коммунальном хозяйстве с помощью ГТН может осуществляться автономное теплоснабжение отдельных многоэтажных зданий и зданий типа котеджей;
• в общественных зданиях с кондиционированием воздуха обычно применяют совмещенные кондиционеры, обеспечивающие охлаждение воздуха в теплый период и нагревание в режиме теплового насоса в холодный;
• на промышленных предприятиях тепловые насосы применяют для утилизации теплоты выбросов, водооборотных систем, стоков с целью использования такого тепла для теплоснабжения, отопления и горячего водоснабжения.

Источник тепла	Среда контура	Температура источника, °С
Грунтовые воды	вода	8..15
Грунт	антифриз	2..10
Вода с водозабора	вода	6..10
Речная вода	антифриз	1..10
Канализационные стоки	вода	10..17
Окружающий воздух	воздух	-8..15
Вытяжной воздух	воздух	18..25

В условиях нашего климата возможно использование ГТН для постоянного и бесперебойного нагрева воды в системах горячего водоснабжения и устройства тёплых полов, а также для нагрева воды в системах отопления в зимнее время до температуры +60 °С.

Можно использовать ГТН различных типов и мощности.

* Тепловые насосы открытого цикла используют грунтовые воды как главный источник энергии. Теплоноситель подается непосредственно из водоема и после прохождения цикла охлажденным возвращается обратно. При идеальных условиях использование ГТН с открытым циклом может быть наиболее экономичным типом геотермальной системы.

* Тепловые насосы с закрытым водоемным циклом крайне экономичны, так как при установке используется доступный водоем, и отсутствуют затраты на земляные работы. Спирали труб просто помещаются на дно водоема.

* Тепловые насосы с горизонтальным теплообменником рассматриваются лишь при наличии поверхности необходимой площади. Замкнутый контур теплообменника укладывается горизонтально в глубокие траншеи, длина которых варьируется от 30 до 120 метров.

* Замкнутый контур теплообменника устанавливается вертикально в подготовленные отверстия. Применяется в тяжелом грунте или при ограниченности пространства участка. Буровое оборудование используется для сверления отверстий малого диаметра на глубину 25-90 метров. Работа зимой Зимой ГТН — система тепло неостывшей воды передает в дом. Работа летом, если не хочется покупать кондиционер. Летом ГТН — система излишки тепла в доме передает через теплообменник в обратном направлении

Тепло из грунта для теплоснабжения дачи, сельского дома.

Тепловые насосы могут использовать в качестве источника тепла энергию грунта Вашего земельного участка. Сохраненная в почве солнечная энергия подарит комфортное тепло даже в очень холодные дни.

Трубопровод, в котором циркулирует неядовитая жидкость, зарывается в землю на глубину 1 м. Минимальное расстояние между соседними трубопроводами – 0,8..1 м. Специальной подготовки почвы, засыпок и т.п. не требуется. Предпочтения к грунту – желательно использовать участок с влажным грунтом, идеально с близкими грунтовыми водами, однако сухой грунт не является помехой – это приводит лишь к увеличению длины контура. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода 20..30 Вт.

Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длинной 350..450 метров, для укладки такого контура потребуется участок земли площадью около 400 кв. метров (20м*20м). Не обязательно укладывать контур ниже уровня промерзания почвы – глубина в 1 м является оптимальной.

Тепло из скважины для теплоснабжения дачи, сельского дома.

Необходимо пробурить две скважины на расстоянии не менее 1,5 м одна от другой. Из одной скважины мы будем закачивать воду насосом в теплообменник, из которого вода будет выливаться во вторую скважину.

В статье «3. Расчеты отопления», мы определили, что для поддержания необходимой температуры в среднем доме необходима мощность 10 кВт, что за 1 час потребит энергию 10 кВт-часов. Между тем, для примерного расчета мощности электродвигателя насоса необходимо знать, какое количество воды из скважины ему придется перекачивать за 1 час.

Зная, что 1 калория равна 0,0116222222 ватт-часа, находим, что необходимая энергия 10000 ватт-часов равна 10000 : 0,0116222222 = 860420 калорий. Для нагрева 1 кубического сантиметра воды на 1 градус требуется 1 калория тепла. Если системе водяного отопления дома будет 100 литров, или 100000 кубических сантиметров воды то каждый час она будет нагреваться в конденсаторе на 860420:100000 = 8,46 градусов, чтобы при охлаждении батарей это тепло передавалось в помещение.

Как известно, в одном кубическом метре воды – 1000 литров. Умножив объем подогреваемой воды в доме — 100 литров на температуру подогрева — 8,46 градусов — получим 846. Такое же, а учетом потерь, даже немного больше, должно быть произведение объема и температуры охлаждаемой воды, которая перекачивается насосом из одной скважины в другую.

Температура воды у наших скважинах ниже 8 градусов не опускается. Если она будет охлаждаться в испарителе на 2 градуса, то объем перекачиваемой за 1 час воды составит 846 : 2 = 423 литров или 0,423 кубических метра за 1 час.

Распространенный у нас электронасос БЦ 08-20 У1.1 «Харьков» при мощности электродвигателя 0,58 кВт способен перекачивать 2,88 кубических метров воды за 1 час. Но не надо забывать, что еще будет работать компрессор, перекачивающий фреон или подобную жидкость из испарителя в конденсатор. Ну и в самой системе отопления обычно работает циркуляционный насос.

Но, в любом случае, суммарная мощность всех электродвигателей будет значительно меньше мощности нагревателей при прямом электрическом отоплении и составит не более 2 кВт для дома площадью 100 квадратных метров.

Производством тепловых насосов в Украине занимаются компания ООО «Геотепло» и другие. Цены, однако, кусаются, за тепловые насосы мощностью примерно 10 кВт придется выложить 4 – 5 тысяч евро, да, кроме того, работа по монтажу.

Остается только надеяться на финансовую поддержку со стороны государства для тех, кто решил установить тепловые насосы, как это делается во многих цивилизованных странах.

Просмотров: 3930

Комментарии к этой заметке (1):

Комментарий добавил(а): Ольга
Дата: 2015-04-02