Тепловой насос. Принцип работы. Проектирование. Целесообразность установки. Главная — Информация — Информационные статьи

Многие слышали о понятии тепловой насос, но что это такое большинство представляет себе довольно слабо, в большинстве случаев из рекламных буклетов и заявлений продавцов на уровне: используется тепло земли, вечный ресурс, бесплатное тепло и т.п

Принцип действия теплового насоса:

Самый простой пример теплового насоса который все видели в живую — это обыкновенная сплит система, которые установлены сейчас повсеместно. В данном случае роль конденсатора играет наружный блок, а роль испарителя внутренний — т.е. мы перекачиваем тепло из помещения на улицу. Испаритель и конденсатор образно можно представить в виде теплообменников. Многие сплит-системы способны работать и в обратном направлении — перекачивать тепло с улицы в помещение. Данный принцип и используется в тепловых насосах, работающих на отопление здания. Т.е. в рассматриваемом нами примере со сплит-системой в помещении находится конденсатор, а на улице испаритель. В контуретеплового насоса циркулирует фреон, имеющий низкую температуру кипения. 1) Поступая из испарителя, газообразный фреон сжимается компрессором до высокого давления и высокой температуры (это физика процесса). 2) Горячий фреон высокого давления попадает в конденсатор (теплообменник, находящийся в помещении) и от него забирается тепло на обогрев помещения (как от отопительного прибора), отдавая тепло фреон конденсируется из газообразного состояния в жидкой (отсюда и название — конденсатор) 3) Охлаждённый фреон высокого давления поступает к дросселю, где снижается его давление, и он попадает в испаритель, где переходит в газообразное состояние (отсюда испаритель), забирая тепло из окружающего воздуха. Затем процесс повторяется по второму кругу — см. п.1.

Виды тепловых насосов:

Рассмотрим только компрессорные тепловые насосы (ввиду их большего распространения и применения в настоящее время):
1)Воздушные тепловые насосы. Т.е. наружный блок представляет собой наружный блок кондиционера. Основной плюс этого вида насоса — дешевизна подключения источника тепла — наружный воздух есть везде и забрать тепло из него довольно просто. Основные минусты воздушных тепловых насосов это работа до -20 С, (со снижением производительности) и шум от наружного блока — если при использовании в общественных зданиях данный параметр не критичен, то при применении воздушного теплового насоса в коттедже, расположенном в лесу шум от наружного блока может быть не желательным.
2)Геотермальные тепловые насосы. Тепловые насосы использующие тепло земли — т.е. к испарителю присоединяется система трубопроводов, проложенных в земле и отбирающих тепло от земли, а затем отдающих его испарителю. Плюсы данного вида теплового насоса — работа вне зависимости от температуры на улице, бесшумность работы (компрессор шумит не больше холодильника). Основной минус — это дороговизна геотермального контура — т.е. труб, проложенных в земле. В среднем метр скважины для опуска геозонда стоит около 1500 руб, и с него можно получить 50 Вт тепловой энергии — т.е. на дом в 300 м2 потребуется около 20 кВт тепла или 400 метров скважины — т.е. около 600 000 руб.
3)Тепловые насосы, использующие вторичное тепло — целесообразно для общественных и промышленных предприятий где есть побочное тепло, выделяемое в результате технологических процессов (как пример стеклоплавильное производство, использующее тепловые насосы для отопления всего завода либо использование теплового насоса для отбора тепла от канализационных стоков).

Целесообразность использования теплового насоса:

>1)Тепловые насосы к коттеджном строительстве. Для начала необходимо взвесить все плюсы и минусы решения:
Если есть возможность подключить газ, то думать о тепловом насосе стоит только в двух случаях: 1) Очень хочется тепловой насос не важно по каким соображениям — экология или «просто хочется» и _ 2) Стоимость подключения газа стоит больше 1 млн. руб. Во втором случае конечно надо считать экономику, но в большинстве случаев тепловой насос себя окупает.
Если возможности подключить газ нет и не предвидится (либо предвидится года через 2-3) — сразу встаёт вопрос: » а чем собственно отапливаться?» В большинстве случаев рассматриваются варианты газгольдер, электрическое отопление и дизельное топливо. При отоплении газгольдером и дизелем затраты в течении 10 лет приблизительно сопоставимы — сжиженный газ дешевле дизеля, но добавляется стоимость газгольдера (от 200 тыс. руб.), после 10 лет газ из газгольдера будет дешевле дизеля (при сохранении сегодняшнего соотношения цен). Электричество самое дорогое, но зато его подключение по сравнению с газом не составляет никакого труда. Примерную стоимость 1 кВт тепла можно увидеть из приведённой ниже таблицы (цены даны для Московского региона):

Стоимость теплопункта и подключения(тыс. руб.)	Разрешение	Стоимость 1 кВт тепла, руб
Природный газ	300+200 (котельная+подключение газа)	да	0,4-0,6
Сжиженный газ	300+300 (котельная+газгольдер)	нет	2,5-3,3 (при стоимости газа 14-18 руб/литр)
Дизельное топливо	300+40 (котельная + ёмкость для топлива)	нет	1,8-2,7 (при стоимости дизтоплива 18-27 руб/литр)
Тепловой насос (воздух.)	500 (котельная)	нет	1,0-1,5 (при стоимости электричества 4,5 руб/кВт)
Тепловой насос (тепло земли)	400+600 (котельная+геотермальное поле)	нет	1,0-1,5 (при стоимости электричества 4,5 руб/кВт)
Пеллетный котел	400	нет	1,0-1,4 (при стоимости пеллет 5-7 тыс.руб/тонна)
Электричество	250	нет	4,5

Цены на оборудование даны ориентировочные — понятно, что любую котельную можно сделать и очень дешёвой и очень дорогой. Принята цена средней котельной для дома в 250-350 кв.м. при использовании европейского оборудования. При использовании оборудования из китая цена может уменьшиться приблизительно в 2 раза. Для подключения газа потребуется отдельный проект (не путать с проектом котельной — проект по подключению газа отображает врезку в газовую трубу «по границе» и подвод газа к котлу и плите, в то время как проект котельной отображает сам котёл от точки врезки газа и дальше).
Для коттеджного строительства часто используют связку воздушный тепловой насос + дизельный котёл + дизель генератор — плюсы данного решения это полная энергонезависимость в случае нештатной ситуации (отключения электричества на просторах нашей родины не редкость), довольно дешёвая стоимость кВт тепла — основную часть времени работает воздушный тепловой насос (где-то до -10 С наружной температуры), а в пики холода (когда температура опускается ниже — 20 С) включается дизельный котёл — т.е. расход дизельного топлива получается мизерным (в Москве в последние годы за зиму бывает 1-2 недели когда температура держится — 20 С и ниже), и в то же время к стоимости теплового насоса не добавляется стоимость геотермального поля. При использовании только теплового насоса в качестве единственного источника тепла следует обратить пристальное внимание на проектирование систем отопления: тепловой насос работает на низких температурах (подающая 55 против 80-90 градусов для газового или дизельного отопления, и для отопления потребуются либо увеличенные (

в 2 раза) отопительные приборы, либо система теплого пола.
При учёте стоимости оборудования стоит учитывать возможность теплового насоса работы не только на отопление зимой, но и возможность работы на охлаждение летом — в этом случае не придётся увешивать фасад дома наружными блоками кондиционеров, равно как и покупать их — всё что будет необходимо это докупить фанкойлы (образно — внутренние блоки сплит-систем, о которых мы говорили в самом начале). А система кондиционирования для дома (на основе стандартных сплит-систем) сама по себе обойдётся в 300-400 тыс. рублей (зависит от кол-ва охлаждаемых помещений), и она можно сказать уже включена в стоимость теплового насоса.

2)Тепловые насосы в промышеллности
. Использование промышленных тепловых насосов часто обусловлено не необходимостью отопления, а необходимостью охлаждения — т.е. тепловой насос выбирается с целью охладить помещения или технологический процесс, а работа на отоплени получается в качестве «бонуса». Этот принцип используется в торговых и офисных и складских помещениях, когда есть необходимость охлаждения летом и отопления зимой. В этом случае при подсчёте экономики часто выясняется, что выбор теплового насоса в качестве источника тепла и холода оправдывает себя в течении двух-трёх лет, а иногда (справедливости ради отметим, что для условий с проблемным подключеним коммуникаций и регионов с высокой стоимостью энергоносителей и дешевле традиционных решений.
Пример использования теплового насоса на ледовой арене: Как видно из принципиальной схемы потребность в охлаждении ледовой арены и кондиционировании составляет 850 кВт круглый год и в «классическом» варианте с применением холодильных машин тепло просто выбрасывается на улицу и летом и зимой. В то же время потребность в тепле зимой составляет 1,2 МВт тепла в пиковые моменты или около 700-800 кВт на протяжении отопительного периода. Т.е. здание фактически будет обеспечивать само-себя теплом на протяжении 70% времени отопительного периода и расходы в данном случае будут только на компрессоры тепловых насосов, но никак ни на тепло от города или газ для собственной котельной. В то же время не стоит забывать, что компрессоры, тепловых насосов, работающих на охлаждение ледовой арены, потребляют столько же энергии, сколько потребляют и компрессоры холодильной машины, работающей на производство холода в «классическом» варианте.

Т.е. мы тратимся только мощность для работы компрессоров тепловых насосов, работающих на тепло. Данная система окупилась всего за один год. (Не стоит забывать, что это частный случай с конкретным месторасположением и местной стоимостью энергоресурсов).

Пример использования теплового насоса на складах охлаждённой продукции:

Данная схема была реализована для склада замороженных продуктов — ввиду отсутствия в ближайшей доступности коммуникаций за исключением электричества было решено перенаправить тепло от охлаждения склада на нужды отопления и ГВС офисных помещений. Альтернативный вариант — отопление электричеством предполагал траты порядка 2-2,5 млн. руб. в год. Стоимость теплового насоса для отопления отбилась за 2 с небольшим года.

Проектирование теплового насоса:

Рассмотрим пример проектирования воздушного теплового насоса для здания, расположеного в тёплом климате (самая холодная температура зимой +3 С). Рассматривается одна из самых простых принципиальных схем — ГВС + группа потребителей, работающая либо на тепло либо на холод. В основе проектирования тепловых насосов лежит возможность работы теплового насоса как на тепло, так и на холод и в то же время обеспечивать производство ГВС. Т.к. тепловой насос один (а данном случае рассматриваем систему с одним тепловым насосом), то работать одновременно и на тепло и на холод он не может — с теплового насоса выходят всего две трубы и по ним течёт либо горячая, либо холодная вода (образно). Если для зимы всё довольно просто — зимой есть только потребность в тепле, то в случае для лета есть потребность в горячей воде и в то же время есть потребность в холоде для фанкойлов. Для работы потребителей одновременно устанавливаются баки аккумуляторы — один для ГВС, второй для группы потребителей и 3-х ходовой клапан

поз. 16,14 и 36 соответственно. Большинство тепловых насосов снабжено автоматикой, позволяющей управлять переключающим 3-х ходовым по датчикам температуры, расположенным в баках аккумуляторах. Рассмотрим ситуацию летом — тепловой насос работает на холод и 3-х ходовой открыт на проток в бак потребителей (поз 15), с бака 16 (ГВС) приходит запрос на подогрев. Автоматика переключает тепловой насос с охлаждения на обогрев и одновременно переключает 3-х ходовой на бак ГВС, одновременно закрывая бак потребителей. В контуре потребителей в это время охлаждённая вода продолжает циркулировать используя холод бака аккумулятора.

Проектирование систем отопления на базе теплового насоса

Проект любой системы отопления или охлаждения с тепловым насосом гарантирует заданные параметры и облегчает последующий монтаж. Основная особенность проектирования систем отопления на базе теплового насоса связана с низкими температурами теплоносителя, что требует особого подход к расчету отопительных приборов и гидравлических параметров. Только грамотно спроектированная система обеспечит максимальный коэффициент преобразования теплового насоса, а вместе с ним и минимальные расходы на отопление.

Разновидности систем с тепловыми насосами

Тепловой насос, как основа преобразования тепла, выступает центральной частью в нескольких вариантах построения системы отопления или охлаждения:

• отопление зданий и сооружений, где тепловой насос выступает центральным звеном только отопительного цикла;
• комплекс оборудования не только для отопления, но и для приготовления горячей воды;
• универсальный комплекс отопления и кондиционирования помещений, с возможностью реверсной работы теплового насоса как на отопление, так и на охлаждение;
• проектирование нагрева бассейнов тепловыми насосами является частным случаем оборудования для отопления первого типа.

Отличия перечисленных систем при проектировании учитываются в перечне необходимого дополнительного оборудования, сохраняя единый подход построения комплексов с тепловыми насосами.

Порядок работы над проектом

Основой проектирования систем отопления с тепловыми насосами выступают Строительные Нормы и Правила (СНиП) и теплотехнические параметры объекта. Качество проектируемой системы и ее выходные параметры требуют совместной работы заказчика и проектировщика над первым этапом проекта — техническом задании на проектирование.

Дальнейший перечень работ над проектом состоит из нескольких этапов:

• теплотехнические и гидравлические расчеты, предварительный выбор оборудования и технико-экономическое обоснование проектных решений. На этом этапе происходит окончательное утверждение заказчиком выбранной схемы работы оборудования;
• эскизное проектирования с составлением предварительных смет и полного перечня необходимого оборудования и материалов;
• разработка рабочих чертежей, спецификаций оборудования и материалов, окончательной сметы на все работы. После завершения данного этапа заказчик получает полный комплект рабочей документации для начала общестроительных работ и заказа необходимого оборудования.

Возникающие в процессе проектирования небольшие отклонения в последовательности работ не изменяют общей схемы и обоснованы лишь индивидуальными характеристиками объектов.

Чиллеры для охлаждения воды и их особенности

Проектирование систем охлаждения на базе чиллеров собственного производства не имеет кардинальных отличий и включает все вышеперечисленные этапы.

Главной особенностью данных проектных работ является выбор конечной схемы теплообмена чиллера с охлаждаемым помещением — специальные устройства вентиляционного оборудования или фанкойлы (теплообменники с вентилятором).

Фанкойлы выступают в качестве источника теплообмена и в универсальных комплексах отопления и кондиционирования.

В заключение отметим, что грамотное проектирование климатических систем с тепловым насосом обеспечивает не только требуемые параметры отапливаемых или охлаждаемых помещений, но и позволяет избежать лишних расходов на дополнительное оборудование и аккумулирующие емкости.