8.2 Опалення за допомогою теплових насосів

Використання теплових насосів для опалення є способом, альтернативним іншим способам, таким як спалювання органічного палива|пального|, центральне парове або водяне опалення, електрообігрів і ін.

Тепловим насосом (ТН|) називається машина, яка поглинає низькопотенційну| теплоту із|із| зовнішнього середовища|середи| (ґрунту, води або повітря) і передає її в систему теплопостачання споживачів у вигляді нагрітої води.

У роботу закладена схема роботи холодильного контура і використання фреону як хладагента|. Схематично робота теплової помпи представлена|уявлена| на рис.8.3.

1 – насос гріючого середовища|середи|; 2 – тепловий насос; 3 – циркуляційний насос; 4 – підігрівач гарячої води; 5 – буферна ємкість|місткість|; 6 – подаючий насос; 7 – нагрівальні прилади

Рисунок 8.3 -Схема використання теплового насоса для опалення і гарячого водопостачання

Основними компонентами ТН| є|з'являються,являються|: випарник, компресор, конденсатор і дросельний клапан. Через дросельний клапан рідкий фреон при температурі біля -10 °С і тиску|тисненні| 3.5 бар поступає|надходить| у випарник. У випарнику фреон «забирає» тепло з|із| первинного джерела (наприклад, грунтова вода або зовнішнє повітря). При цьому фреон переходить в пароподібний стан|достаток|, а температура підвищується до -3 °С. Після|потім| цього пароподібний фреон поступає|надходить| в компресор, де стискається|стискується| до 24 бар, а його температура підвищується до +70 °С. Далі фреон прямує на конденсатор, де переходить в рідкий стан|достаток|, охолоджуючись до +42 °С і віддаючи тепло в систему опалення або гарячого водопостачання. Після|потім| конденсатора рідкий фреон поступає|надходить| на дросельний клапан, де в результаті|унаслідок,внаслідок| того, що дроселюється поток, тиск|тиснення| фреону знижується до первинних 3.5 бар, а температура до -10 °С. На цьому цикл замикається і повторюється знову.

Джерелами низькотемпературного тепла для теплових насосів можуть бути|з'являтися,являтися| природне тепло, що міститься|утримується| в зовнішньому повітрі, поверхневих|поверхових,зверхніх| і підземних водах, грунті і ін., а також тепло антропогенного походження — гази, що видаляються|знищуються,віддаляються| з|із| різних процесів, і рідини. При цьому чим більше температура джерела тепла, тим вище коефіцієнт перетворення теплових насосів, тобто їх енергетична ефективність, і тим нижче капітальні витрати|затрати| на устаткування|обладнання|.

Слід зазначити, що|слід відзначити , що,следует отметить | в деяких випадках теплові насосні установки доцільно використовувати комбіновано для теплохолодопостачання| (наприклад, взимку — теплом, влітку — холодом) шляхом перемикання відповідним чином випарника і конденсатора. Такі установки називають термотрансформаторами| і в даний час|нині| застосовують для кондиціонування повітря і ін.

Сучасні ТН| практично безшумні в роботі, не порушують загальний|спільний| дизайн кімнати, тому можуть бути встановлені|установлені| безпосередньо в житлових приміщеннях|помешканнях|. Перевагою ТН| над опалювальними котлами є абсолютна екологічність. Вони не викидають в атмосферу ніяких|жодних| шкідливих або парникових газів, а хладагент|, який в них використовується, є|з'являється,являється| безпечним для здоров'я людини.

У промисловості та у житлово-комунальному господарстві як джерело теплоти для роботи теплових насосів можуть бути використані наступні види теплових вторинних енергетичних ресурсів:

• теплота охолоджуючої води парових турбін теплових і атомних електростанцій, промислових печей, компресорних установок, апаратів хімічної технології. Часто ця вода використовується повторно і направляється на охолодження в градирні та апарати повітряного охолодження;

• теплота стічних вод різних промислових підприємств і підприємств житлово-комунального господарства (лазні, пральні, басейни);

• теплота продуктів згоряння в котельних установках і промислових печах, а також печах по спалюванню твердих і рідких відходів;

- теплота продуктів згоряння в газотурбінних установках і дизельних двигунах;

- теплота водяної пари низького тиску, що викидається в атмосферу (випар);

- теплота відпрацьованого сушильного агента в сушильних установках;

- теплота гарячих розчинів у випарних і ректифікаційних установках;

- теплота мастила, що використовується в турбінах електростанцій і в електричних трансформаторах;

- теплота повітря, що відходить із систем вентиляції і кондиціонування повітря житлових, адміністративних і промислових будинків;

- теплота витяжного повітря станцій метрополітену і повітря каналів метро.

Для роботи теплових насосів можуть бути використані також наступні природні джерела теплоти:

- теплота зовнішнього повітря (при позитивних температурах);

- вода природних і штучних водойм (рік, озер, морів);

- тепло геотермальних джерел;

- теплота ґрунту, яку одержують за допомогою спеціальних трубчастих теплообмінників;

- теплота підземних вод;

- тепло, яке одержують в результаті використання сонячної енергії.

Низькопотенційну теплоту вторинних енергетичних ресурсів можна використовувати безпосередньо при використанні теплообмінних апаратів, наприклад, для підігріву приточного вентиляційного повітря, попереднього підігріву повітря, що направляється в топкові пристрої, підігріву сушильного агента в установках для сушіння матеріалів і т.д., однак далеко не завжди це реально на практиці.

Теплота підвищеного потенціалу, що одержується в теплових насосах, має більш широкі області застосування. Крім зазначених областей споживання вона може використовуватися також на опалення, гаряче водопостачання, підігрів технологічних газів і рідин в апаратах хімічної технології, випарних, перегінних і ректифікаційних установках, у процесах варіння, при рекомпресії пари.

Найбільше доцільно застосовувати ТН у наступних випадках:

• є стабільне у часі джерело теплоти з температурою 10-50°С.

• є споживач теплоти з температурою 60 - 120°С. У багатьох випадках саме відсутність споживача теплоти ускладнює застосування теплових насосів.

• існує джерело недорогої електричної енергії при дефіциті тепла.

• якщо різниця між температурами джерела і споживача - невелика. У цьому випадку тепловий насос має великий коефіцієнт перетворення.

• якщо джерелом теплоти є гаряча вода або пара, що конденсується, або парогазова суміш. Ці теплоносії, на відміну від повітря, мають високий коефіцієнт тепловіддачі, що забезпечує малі габарити випарника теплового насоса.

• якщо необхідне одночасне виробництво теплоти і холоду. Наприклад, охолодження молочних продуктів і опалення цеху.

• якщо в літню пору тепловий насос можна використовувати в системі кондиціонування, а в зимову - у системі опалення.

Розглянемо деякі схеми, у яких можуть бути використані теплові насоси.

При опаленні геотермальними теплонасосами, попросту кажучи, зовнішній блок закопується у ґрунт або занурюється у водойму поряд з будинком. При цьому, незалежно від температури повітря на подвір`ї, зовнішній блок залишається вільним від льоду, ефективність теплопередачі залишається високою.

Рисунок 8.4 - Опалення будинку геотермальними теплонасосами

Принцип дії опалення геотермальними теплонасосами ґрунтується на зборі тепла з ґрунту або води, і передачі зібраного тепла опаленню будинку (рис. 8.34).

Для збору тепла незамерзаюча рідина тече по трубі, розташованій у ґрунті або водоймі біля будинку, і надходить до теплового насосу. Теплонасос, подібно холодильнику, охолоджує незамерзаючу рідину (відбирає тепло), при цьому рідина охолоджується орієнтовно на 5 °С. Рідина знову тече по трубі у ґрунті або воді, відновлює свою температуру і надходить до теплонасосу. Відібрані тепловим насосом градуси передаються системі опалення та/або на підігрів гарячої води.

Можливо відбирати тепло у підземної води - підземна вода з температурою біля 10 °С подається зі свердловини до теплонасосу, який охолоджує воду до +1...+2°С, і повертає воду під землю.

При кондиціонуванні геотермальний тепловий насос працює у зворотному напрямку, переносячи тепло з будинку в ґрунт або водойму.

Теплова енергія є в будь-якого предмету, що має температуру вище за мінус двісті сімдесят три градуси Цельсія. Тобто тепловий насос може відібрати тепло у будь-якого предмету - землі, водойми, льоду, підземної скали, води тощо.

В кліматичних умовах України для опалення будинку енергія береться з ґрунту (або водойми) та віддається до системи опалення будинку. Якщо ж будинок, наприклад влітку, потрібно охолоджувати, то відбувається зворотній процес - тепло забирається з будинку та скидається у землю (водойму). Той самий тепловий насос може працювати взимку на опалення, а влітку на охолодження будинку. Вочевидь, що тепловий насос одночасно може виконувати витікаючи функції - гріти воду для гарячого водопостачання, кондиціонувати, гріти басейн, охолоджувати наприклад льодовий каток, підігрівати дахи і доріжки від льоду тощо. Тобто єдиний пристрій може взяти на себе усі функції по тепло-холодопостачанню будинку або комплексу будівель.

Обмін теплом із навколишнім середовищем геотермальні теплові насоси здійснюють такими основними способами:

• насос з відкритим циклом (рис.8.5) - з підземного потоку (пливуна) забирається чиста вода, подається до розташованого в будинку теплового насосу, вода віддає/забирає тепло у теплового насосу, і повертається до підземного потоку на відстані від міста забору. Плюсом такого способу є можливість одночасного використання підземної води для водопостачання будинку. Такі системи є дуже ефективними, адже температура підземної води є відносно високою і цілорічно стабільною. Використання підземної води не шкодить ґрунтовим водам, не змінює рівня ґрунтових вод у водному горизонті, оскільки відкриту систему можна розглядати як сполучені посудини, де вода, відбираєма з однієї свердловини, повертається на своє місце через другу свердловину. Коректно, у відповідності з нормативами споруджені свердловини забезпечують безпечну для оточуючої природи стабільну роботу системи опалення.

Рисунок 8.5 – робота теплового насосу насос з відкритим циклом

• насос з закритим циклом і водорозташованим теплообмінником (рис. 8.6) - спеціальна рідина (теплоносій) прокачується по колекторам (трубкам), що знаходяться у водоймі, та віддає/забирає тепло у водойми. Будинки доцільно опалювати енергією відкритої водойми в тому випадку, якщо будинок знаходиться від водойми ближче 100 метрів, і глибина водойми, а також берегова лінія відповідає вимогам, потрібним для облаштування колектору. Плюсом такого способу є відносна дешевизна.

Рисунок 8.6 - Схема роботи теплового насосу з закритим циклом і водорозташованим теплообмінником

Розподілені на поверхні озера колектори (трубки) перед заповненням теплоносієм та зануренням їх на дно.

• насос з закритим циклом і горизонтальним теплообмінником (рис. 8.7), розташованим у ґрунті - трубки, в яких прокачується теплоносій, розташовані горизонтально на глибині не менш одного метра від поверхні ґрунту. Такий теплообмінник зазвичай звуть поверхневим колектором. Головною загрозою є необережність при проведенні землекопних робіт у зоні находження поверхневого колектора. Для сучасного будинку з опалювальною площею в 200 м² під колектор потрібно біля 500 м² поверхні ґрунту. При облаштуванні колектору поблизу дерев трубу колектора не слід укладати ближче, ніж 1,5 метра від крони. Правильно обраний по розмірам і правильно укладений ґрунтовий колектор не впливає на ріст рослин та екологічні умови.

Рисунок 8.7 – Схема роботи насоса з закритим циклом і горизонтальним теплообмінником

• насос з закритим циклом і вертикальним теплообмінником (рис. 8.8) - трубки, в яких прокачується теплоносій, розташовані вертикально у ґрунті та спрямовані у глибину землі до 200 метрів (зазвичай 50 - 100 метрів). Такий теплообмінник зазвичай звуть зондом. Як відомо, на глибині 15-20 м від поверхні земля має стабільну температуру 10-12 градусів Цельсія незалежно від пори року. Із збільшенням глибини температура землі підвищується. Цей спосіб забезпечує найбільш високу ефективність роботи теплонасосу, малі витрати електроенергії та дешеве тепло - 1 кВт електроенергії забезпечує до 5 кВт теплової енергії, але має більші початкові капіталовкладення.

Рисунок 8.8 – Схема роботи насосу з закритим циклом і вертикальним теплообмінником

Теплові насоси, що забирають/віддають тепло з землі або води, в Європі зазвичай звуть "геотермальні теплові насоси", або англійською «geothermal heat pumps» - «GHP». Всі зображені вище способи використовують GHP. В деяких країнах такі теплові насоси мають інші назви. Наприклад у Великобританії до GHP відносять лише насоси з вертикальним теплообмінником, а інші способи звуть "землерозташованими", "ґрунтовими" або "сонячними" теплонасосами. У Західній Україні "теплові насоси" інколи звуть "теплові помпи". Різниця у назвах не змінює суті роботи геотермальних теплових насосів/помп.