§ 14.4. Электрическое отопление с помощью теплового насоса

Тепловым насосом называют установку, предназначенную для передачи теплоты от низ-котемпературного источника к среде с более высокой температурой. Применительно к электрическому отоплению тепловой насос "перекачивает" энергию от среды с более низ-ким тепловым потенциалом к среде с более высоким потенциалом, направляя ее для отоп-ления зданий. Теоретически тепловым насосом является всякая холодильная машина, по-тому что наряду с холодом она неизменно вырабатывает и теплоту. Но тепловым насосом холодильную машину называют лишь в том случае, когда она специально предназначена

425

для получения теплоты. При этом тепловой насос, как правило, действует при более высо-ких нижнем и верхнем уровнях температуры, чем холодильная машина.

К настоящему времени создано и эксплуатируется большое число установок с тепловыми насосами, отличающимися по тепловым схемам, рабочим телам и используемому обору-дованию. По циклам работы можно выделить несколько основных типов тепловых насо-сов:

• - воздушно-компрессионные;

• - парокомпрессионные (с механической компрессией пара);

• - абсорбционные;

• - использующие эффект Ранка;

• - использующие двойной цикл Ренкина;

• - работающие по циклу Стирлинга;

• - работающие по циклу Брайтона;

• - термоэлектрические;

• - обращенный топливный элемент;

• - использующие теплоту плавления;

• - использующие механо-химический эффект;

• - использующие магнето-калорический эффект.

Все тепловые насосы по принципу взаимодействия рабочих тел можно объединить в две основные группы: открытого цикла, в котором рабочее тело забирается и отдается во внешнюю среду и замкнутого цикла, в котором рабочее тело движется по замкнутому контуру, взаимодействуя с источником и потребителем теплоты лишь посредством тепло-обмена в аппаратах поверхностного типа.

Различают теплонасосные установки (ТНУ) одно- и двухступенчатые, а также каскадные. Кроме того, ТНУ могут быть с последовательным соединением по нагреваемому и охла-ждаемому теплоносителям с противоточным их движением. ТНУ делят:

• - по производительности: на крупные, средние и мелкие;

• - по температурному режиму: на высокотемпературные, среднетемпературные, низкотемпературные;

• - по режиму работы с непрерывным действием и с циклическим действием;

• - по виду холодильного агента на воздушные, аммиачные, фреоновые, на смесях холодильных агентов;

• - по виду потребляемой энергии с приводом от электродвигателя или газовой тур-бины, работающих на вторичных или природных энергоресурсах и др.

• системах отопления в основном применяются тепловые насосы парокомпрессионного типа. Принцип работы компрессионного теплового насоса установлен Кельвином в 1852 г.

На рис. 14.13 изображена принципиальная схема парокомпрессионной теплонасосной установки.

426

Рис. 14.13. Схема парокомпрессионного теплового насоса: 1 - компрессор; 2 - конденса-тор; 3 - регулирующий вентиль; 4 - испаритель

В компрессоре при подводе механической энергии сжимается пар хладагента, при этом повышается давление и, следовательно, соответствующая ему температура фазового пере-хода - конденсации. Проходя через конденсатор (теплообменник), пар, превращается в жидкость, отдавая нагреваемой среде (воздуху помещения или промежуточному теплоно-сителю) теплоту перегрева и конденсации. Жидкий хладагент поступает к дроссельному вентилю, после которого он, преодолев гидравлическое сопротивление и, находясь на вса-сывающей линии компрессора, понижает свое давление. Затем, в испарителе хладагент переходит в парообразное состояние при соответствующей этому давлению более низкой температуре, отбирая теплоту на парообразование от низкотемпературной среды. Полу-чившийся влажный пар вновь поступает в компрессор, и процесс повторяется.

Перспективным для отопления может стать тепловой насос, использующий термоэлек-трический эффект Пельтье (1834 г.). Сущность эффекта заключается в выделении или по-глощении теплоты при прохождении тока через контакт (спай) двух разных проводников, причем количество теплоты пропорционально силе тока. Академик А.Ф. Иоффе в 1949 г. предложил использовать цепь Пельтье для отопления помещений. В 1957 г. были разрабо-таны полупроводниковые отопительно-охладительные агрегаты, в которых теплота выде-лялась в месте спая полупроводника с дырчатой (положительной) проводимостью и полу-проводника с электронной (отрицательной) проводимостью при протекании через спай постоянного тока. Теплота выделяется при протекании электрического тока от положи-тельного полупроводника к отрицательному и поглощается при движении тока в обратном направлении.

Термоэлектрическую батарею, состоящую из большого числа спаев, устраивают так, что-бы спаи, поглощающие и выделяющие теплоту, были разделены и находились в изолиро-ванных друг от друга каналах. В одном канале происходит охлаждение среды, в другом - нагревание (рис. 14.14, а). Нагретую среду используют для отопления помещений, приме-няя схему "воздух-воздух" (рис. 14.14, б) или "воздух-вода" (рис. 14.14, в). Достоинствами такого теплового насоса являются отсутствие компрессоров, компактность, бесшумность, долговечность, простота обслуживания и регулирования.

427

Рис. 14.14. Конструкции тепловых насосов: а - тепловой насос, работающий на полупро-водниках; б - насос, действующий по принципу "воздух-воздух"; в - то же по принципу "воздух-вода"; 1 - полупроводник; 2 - тепловая изоляция; 3 - оребрение горячих спаев; 4 - оребрение холодных спаев; 5 - патрубок с решеткой для входа нагреваемого воздуха; 6 - вентилятор для перемещения внутреннего воздуха; 7, 8 - решетки для входа и выхода наружного воздуха; 9 - вентилятор для перемещения наружного воздуха; 10 - патрубок с решеткой для выхода нагретого воздуха; 11, 12 - патрубки для подачи и отвода низкотем-пературной воды

Показателем эффективности работы ТНУ является коэффициент преобразования η_п, назы-ваемый также отопительным коэффициентом. Коэффициент преобразования равен отно-шению количества теплоты Q_т, получаемого для отопления, к количеству теплоты Q_э, эк-вивалентному затратам энергии на приведение установки в действие:

Теплота Q_э в компрессионных установках эквивалентна количеству электроэнергии, за-трачиваемой на работу компрессора, в термоэлектрических - количеству электроэнергии, подведенной к полупроводниковой батарее. Теплота Q_т, помимо теплоты Q_э, включает теплоту Q_x, отбираемую тепловым насосом от низкотемпературной среды, но уменьшает-

ся за счет неизбежных теплопотерь Q_пот в контуре установки, т.е. Q_т = Q_э + Q_x - Q_пот. Та-ким образом, отопительный коэффициент равен

Отопительный коэффициент η_п будет больше единицы в тех случаях, когда теплопотери Q_пот меньше теплоты Q_x. Следовательно, в тепловом насосе может вырабатываться тепло-ты больше, чем затрачивается энергии на его привод.

Тепловые, энергетические и экономичесекие характеристики тепловых насосов зависят от источников низкопотенциальной теплоты. Идеальный источник теплоты должен давать стабильную высокую температуру в течение отопительного периода, быть изобильным, не вызывать коррозии и загрязнения элементов теплового насоса, иметь благоприятные теп-лофизические характеристики, не требовать существенных затрат на его использование и расходов по обслуживанию.

428

Наружный воздух, будучи совершенно бесплатным и общедоступным, является наиболее предпочтительным источником теплоты. Тем не менее, тепловые насосы, применяющие воздух, имеют характеристики хуже по сравнению с водяными тепловыми насосами. Это объясняется следующими обстоятельствами:

• - быстрым снижением мощности и производительности с падением температуры наружного воздуха;

• - относительно большой разностью температуры конденсации и испарения в пери-од минимальной зимней температуры, что снижает эффективность процесса;

• - энергозатратами на размораживание испарительной батареи и функционирование вентиляторов при испарителе и конденсаторе.

Речная и озерная вода с теоретической точки зрения представляется весьма привлекатель-ным источником теплоты, но имеет чрезвычайно низкую температуру в зимний период, опускаясь до О °С. По этой причине требуется особое внимание при проектировании, направленное на предотвращение замораживания испарителя. Морская вода на глубине от 25 до 50 м имеет постоянную температуру в диапазоне 4...8 °С, которая, как правило, не вызывает проблем с образованием льда. Важно только использовать теплообменники, насосные агрегаты и трубы, стойкие к воздействию коррозии, и предотвращать накопле-ние отложений органического характера в водозаборных трубах, теплообменниках, испа-рителях и пр.

Грунт как источник теплоты для тепловых насосов имеет преимущество - относительно стабильную температуру в течение года. Теплота отбирается по трубам, уложенным в землю горизонтально или вертикально (часто спиралеобразно). Тепловая емкость грунта варьируется в зависимости от его влажности. Если содержание воды в почве велико, пока-затели повышаются благодаря увеличению теплопроводности и хорошему контакту с трубками. Большая концентрация гравия в земле вызывает ухудшение характеристик. В силу длительного отбора теплоты его температура понижается.

Поскольку тепловые насосы имеют тем больший отопительный коэффициент, чем меньше разность температуры источника теплоты и теплоносителя в системе отопления, темпера-тура последнего должна быть возможно ниже. Можно опираться на следующие значения отопительных коэффициентов зп для тепловых насосов класса "вода-вода", в случае, когда на испаритель приходит вода с температурой 5 °С:

• - радиаторная или конвекторная система отопления с расчетным перепадом темпе-

ратуры 60...50 °С -2,5;

• - такая же система отопления с расчетным перепадом температуры 45...35°С-3,5;

• - напольное отопление с расчетной разностью температуры 35...30°С-4.

Отопительный коэффициент термоэлектрического теплового насоса при применяемых полупроводниковых материалах (висмут-теллур и висмут-селен) доходит до 2,5...3.

Эффективность тепловых насосов в последние годы значительно возросла за счет измене-ний, внесенных в конструкцию компрессоров, теплообменников и систем управления на базе микропроцессоров. Помимо этого тепловые насосы достигли такого уровня кон-структивной прочности, который обеспечивает достаточно высокую долговечность и надежность. По результатам исследований, проведенных ASHRAE (Американским обще-ством инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха), отмечена долговечность тепловых насосов от 15 (класса "воздух-воздух") до 19 (класса "воздух-вода") лет. Следует отметить, что данный вывод сделан для установок, имеющих в своем

429

составе поршневой герметичный компрессор. Современные установки, оснащенные спи-ральными компрессорами, еще более надежны и долговечны.

Тепловые насосы для отопления зданий нашли широкое применение за рубежом. В 1993 году общее количество работающих ТНУ в развитых странах превысило 12 млн, а еже-годный выпуск составляет более 1 млн. По прогнозу Мирового энергетического комитета к 2020 году в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения с помощью тепловых насосов составит 75 %.

Несмотря на сравнительную дешевизну отечественных тепловых насосов по сравнению с зарубежными при современном слабом финансовом положении предприятий, внедрение тепловых насосов встречает определенные трудности. Не последнюю роль играет новизна и непривычность этой техники для наших потребителей. За рубежом эти проблемы пре-одолевались путем предоставления в течение нескольких лет льгот предприятиям и хозяе-вам жилых и общественных зданий, внедряющим теплонасосные установки для отопле-ния зданий.

Приняв среднесезонное значение отопительного коэффициента η_п=2,5, получим, что рас-ход электроэнергии на отопление с помощью теплового насоса составит 40...45 % расхода

• системе отопления с прямым преобразованием электричества в теплоту. Тем не менее, широкое применение тепловых насосов для отопления зданий в средней полосе страны потребует значительного (пятикратного) повышения пропускной способности электросе-тей и существенного увеличения мощности генераторов электроэнергии для отопления зданий, построенных до 2000 года. С введением новых теплозащитных норм потребности

• теплоте на отопление вновь строящихся и реконструируемых зданий сократились, что делает применение тепловых насосов для отопления более реальной задачей. Затраты на электрогенераторы могут быть сокращены при аккумуляции теплоты для отопления в ча-сы провала суточного графика электронагрузки (см. § 14.3). Однако в этом случае должны возрасти мощности тепловых насосов, которые будут вырабатывать суточное количество теплоты на отопление за 6...8 ч.

Экономичность теплонасосного отопления может быть повышена при использовании теп-лового насоса в системах комбинированного отопления.