Основы энергосбережения и нетрадиционные источники энергии

Термодинамически аналогичен компрессионный тепловой насос холодильной машине. Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путем отбора теплоты из какого-либо объема испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель – теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту (рис. 2.105).

Рис. 2.105. Схема компрессионного теплового насоса

Тепловой насос характеризуется как минимум тремя показателями по мощности:

1)Qт – тепловая мощность насоса, передаваемая к потребителю,

кВт.

2)Qх – холодопроизводительность или холодильная мощность, т. е. мощность собираемая от низкотемпературного контура тепла, кВт.

3)Qе – потребляемая электрическая мощность, затрачиваемая на привод компрессора, автоматики, циркуляционного насоса, кВт.

Следует отметить, что тепловые насосы имеют высокую эффективность использования энергии. Эффективность тепловых насосов принято характеризовать величиной безразмерного коэффициента

трансформации энергии Ктр или COP (Coefficient of Performance), т. е.

141

отношения полученной полезной тепловой энергии и затраченной для работы теплового насоса электрической энергии (компрессор) (рис. 2.106, 2.107).

Рис. 2.106. Трансформация энергии в тепловых насосах

Потери мощности в

Потери мощности в

Полезная

мощность

Электрическая мощность

Рис. 2.107. Упрощенная энергетическая схема теплового насоса

142

Типичной величиной для тепловых насосов на данный момент является значение Ктр = 4. В современных тепловых насосах, предлагаемых компанией Viessmann, коэффициент трансформации может достигать величин порядка 7, таким образом, на 1 кВт подведенной для работы теплового насоса электроэнергии обеспечить выработку до 7 кВт тепловой. Однако в реальном оборудовании такая эффективность достигается редко.

Следует иметь в виду, что Ктр не является постоянной величиной. Он будет зависеть от разности температур источника низкопотенциального тепла и требуемой температуры подачи, т. е. от времени года (рис. 2.108). Это относится, прежде всего, к воздушным тепловым насосам.

Рис. 2.108. Зависимость Ктр теплового насоса от разности температур источника низкопотенциального тепла и требуемой температуры подачи

Земляные коллекторы. Змеевики из полиэтиленовых труб укладываются под поверхностью земли на глубине 20–30 см ниже глубины промерзания в регионе установки (~ 1,5 м, РБ) и шагом 50–70 см в зависимости от диаметра трубопроводов (рис. 2.109). Контур заполняется незамерзающей жидкостью (углекислота, аммиак, фреоны).

143

Рис. 2.109. Схема теплового насоса и укладка земляного коллектора

Главной задачей при эксплуатации системы с земляными коллекторами не допустить замораживания змеевиков из-за сверхнормативного отбора тела с поверхности земли, т. к. единственным источником первичной энергии в поверхностном слое является Солнце.

В зависимости от теплопроводности грунта и климатических условий в месте установки закладывается цифра удельного отбора

мощности для грунта qе (табл. 2.3). Исходя qе можно определить площадь участка, под которым необходимо проложить коллектор для обеспечения теплого насоса достаточным количеством первичной энергии (для Р = 10 кВт, S = 400 м2).

Таблица 2.3

Величина удельного отбора мощности для различных грунтов

Геотермальные зонды. Зонды, в отличие от коллекторов, используют геотермальное тепло коры планеты, что обеспечивает высокую стабильность поступления низкопотенциальной энергии. Производится бурение скважины (или нескольких на расстоянии 5–6 м

144

друг от друга) на глубину до 100–150 м, в скважину с помощью груза укладывается петля трубопроводов, представляющая собой два U-образных зонда из полиэтилена со специальным «наконечником» (рис. 2.110). В качестве теплоносителя также используется незамер-

зающая жидкость с температурой замерзания не выше – 15 С.

Рис. 2.110. Бурение скважин под геотермальные зонды

Нормативные показатели по отдельным видам пород, без климатической привязки к региону установки, показаны в табл. 2.4. При использовании земляных зондов в качестве источника низкопотенциального тепла для теплового насоса мощностью 10 кВт необходима скважина глубиной около 200 м или 2 по 100 м.

Таблица 2.4

Нормативные характеристики грунтов

По сравнению с земляными коллекторами, зонды требуют больших капитальных вложений, но имеют целый ряд преимуществ:

1)Минимальная занимаемая полезная площадь, вплоть до размещения скважин непосредственно под постройкой.

2)Стабильность получения тепла, в средних широтах на глубинах уже более 7–10 м поддерживается стабильная в течение года температура 5–10 °С.

3)Высочайшая надежность и срок службы (до 70 лет). Использование тепла грунтовых вод (подземные и поверхност-

ные). В этом случае создаются две или более скважины (или погружной контур) для забора и сброса грунтовых вод, из заборной скважины вода с температурой 3–12 °С в зависимости от региона подается в теплообменник, необходимый для защиты испарителя теплового насоса от загрязнения, и нагревает незамерзающую жидкость, циркулирующую в первичном контуре установки (рис. 2.111).

Рис. 2.111. Тепловые насосы на основе использования тепла грунтовых вод

Воздушные тепловые насосы. Воздух из окружающей среды подается непосредственно в испаритель теплового насоса, отдавая

146

тепло хладагенту внутреннего контура, и удаляется наружу. Этот вид установок позволяет свести к минимуму капитальные затраты на обустройство низкотемпературного контура, но ограничивающим фактором становятся климатические условия установки, в зависимости от модели, воздушные тепловые насосы имеют минимальную рабочую температуру –15/–20 °С (рис. 2.112). Однако уже разработаны и применяются хладагенты с температурой испарения до –20 °С и ниже. Примером простейших воздушных тепловых насосов являются кондиционеры, работающие в реверсивном режиме (сплиттеры).

Рис. 2.112. Схема и общий вид воздушного теплового насоса

Тепловые насосы, использующие сбросовое тепло (вторичные источники энергии) (рис. 2.113). Источником первичной энергии для теплового насоса можно использовать энергию, выбрасываемую

ватмосферу:

1)канализационными коллекторами;

2)системой охлаждения;

3)теплом, выделяемым технологическими процессами;

4)другие виды.

Наиболее технологичным является монтаж внешнего контура теплового насоса вместе с прокладкой, специально изготовленных для этих целей канализации труб и выводом точек подключения тепловых насосов (недалеко от потребителей тепловой энергии).

Особенности конструкции тепловых насосов. Как следует из рис. 2.114, 2.115 основными конструктивными элементами тепловых насосов являются компрессор, различного вида насосы для перекачки рассола во внешнем контуре и теплоносителя внутреннего

147

контура, теплообменник, система управления. Часто в состав теплового насоса включается накопительный резервуар для нагретой воды (см. рис. 2.115). Он может быть установлен и отдельно.

Рис. 2.113. Тепловые насосы, использующие сбросовое тепло сточных вод

Рис. 2.114. Типовая конструкция теплового насоса

148

Рис. 2.115. Конструкция теплового насоса со встроенным баком-аккумулятором для горячей воды:

1 – встроенный реверсивный клапан с фазовым переключателем горячей воды; 2 – звукоизолирующие гибкие трубы; 3 – двухсторонний нержавеющий резервуар для горячей воды; 4 – электрический патрон с трехступенчатым регулированием; 5 – циркулирующийнасоссосторонытепловогоагента; 6 – высокопроизводительный бесшумный компрессор; 7 – электрические и гидравлические соединения на крышке; 8 – контрольнаяпанельсчетырьмялиниямидлятекста; 9 – встроеннаяэлектрическая панель; 10 – REGO637. Управляющийконтроллер, предназначенныйдляавтоматизации

и мониторинга теплового насоса

Отличительной особенностью воздушного теплового насоса является наличие в конструкции вентилятора и испарителя в виде радиатора (рис. 2.116). В других конструктивных решениях блок вентилятора с испарителем размещается снаружи здания, а блок конденсатора с компрессором и другимиэлементамирасполагается внутри здания.

149

Рис. 2.116. Конструкция воздушного теплового насоса:

1 – испаритель; 2 – вентилятор; 3 – фильтр-осушитель; 4 – электрический щит; 5 – реле оттаивания; 6 – конденсатор; 7 – дросселирующий вентиль; 8 – компрессор

В настоящее время выпускается широкая линейка тепловых насосов, которые отличаются мощностью, дизайном, но, чаще всего, их внутренняя конструкция примерно одинаковая. Она может отличаться степенью автоматизации его работы, применяемыми комплектующими устройствами, величиной коэффициента преобразования.

Применение тепловых насосов в системах теплоснабжения.

В системах теплоснабжения чаще всего используются грунтовые тепловые насосы, хотя в последнее время все более широкое применение находят воздушные тепловые насосы (рис. 2.117, 2.118). Это объясняется появлением конструктивных решений, которые работают эффективно в зимних условиях.

Как видно из рис. 2.117 воздушный тепловой насос размещается снаружи здания и может непосредственно подключаться к системе отопления.

150