Тепловые насосы. Учебное пособие

ВыберемиздоступногорядаближайшийфреоновыйТНсполной мощностью 14,5 кВт и мощностью, затрачиваемой на привод компрессора, 3,22 кВт.

Рассчитаем вариант с горизонтальным расположением коллектора. Теплосъем с погонного метра трубы в сухом глинистом грунте ql = 0,02 кВт/м.

Тепловая нагрузка (холодопроизводительность) коллектора

Q0 = 14,5–3,22 = 11,28 кВт.

Суммарная длина труб при горизонтальной укладке

L = Q0 =11,28 =564м; q0 0,02

для размещения коллектора потребуется шесть контуров по100м. Объемныйрасход25%водногораствораэтиленгликолясплот-

Расход на один контур составит 0,58 м3/ч. Для устройства коллектора выбираем пластиковую трубу Dy 32 (размер PE 32×2,0). Потери давления в ней составят 45 Па/м, гидравлическое сопротивление одного контура – ​около 7 кПа, а скорость движения – ​ 0,3 м/с.

Сравним данный вариант с вертикальной термоскважиной, в которую вводим U-образные металлопластиковые и пластиковые трубы. В скважину вставляют две петли, после чего ее заливают цементным раствором. С погонного метра такого зонда удается отвести тепловой поток ql = 50 Вт/м. Температура грунта на глубине более 15 м почти постоянна и составляет примерно 10 °C. Расстояние между скважинами не должно быть менее 5 м. Расход жидкости рассчитываем для температуры 5 °C.

В данном случае длина зонда

L = Q0 =11,28 103 = 225 м; ql 50

71

необходимо пробурить три скважины глубиной 75 м, в каждую поместить по две петли металлопластиковой трубы Dу 25 (размер PE 25×2,0), итого шесть контуров по 150 м.

Общий расход теплоносителя при температуре 5 °C составит VS = 2,1 м3/ч; расход через один контур – 0,35​ м3/ч. Потери давле- ниявтрубе–96​ Па/м,гидравлическоесопротивление–14,4​ кПа, скорость потока – ​0,3 м/с.

Эти данные сопоставляют со стоимостью материалов и работы и делают вывод о том, какой вариант выбрать.

5.2. Теплоснабжение многоквартирных домов

При теплоснабжении многоквартирных домов индивидуальные ТН неудобны последующим причинам:

–ТН в квартире создают шум и вибрацию, применение наружных сплит-систем ухудшает вид здания;

–встарыхилиреконструируемыхдомахнельзяотказатьсяотцентрализованных систем отопления «в отдельно взятой квартире»;

–если квартира зимой пустует и не обогревается, то это повышает затраты наотопление всоседних квартирах;

–сложно использовать систему утилизации теплоты стоков

ивыбросов вентиляции.

Однако единый ТН для всего многоквартирного дома потребует тяжелого и громоздкого оборудования, для которого нужно выделить или построить отдельное помещение.

Оптимальным является ТН для одного подъезда: можно установить резервное оборудование, переключить отопление при ремонте и т. д. В летний период можно использовать для горячего водоснабжения лишь часть установленных ТН.

Для такого ТН возможны четыре источника низкопотенциальной теплоты:

–грунтовый теплообменник (5°C);

–подземные грунтовые воды (5°C);

–бытовые стоки (30°C);

–воздух извытяжной вентиляции (25°C).

72

Выберем в качестве системы отопления «теплый пол» как имеющий наибольшую поверхность и самые умеренные требования по температурам теплоносителя: 60 °C на входе и 50 °C на выходе.

Первым шагом является термодинамический расчет цикла, оценка его эффективности и выбор хладагента. В большинстве случаев рациональными оказываются озонобезопасные фреоны R410а и R407С, однако надо учитывать, что на рынке такие ТН пока редки, и здесь приходится идти на компромисс.

Наиболее эффективно использовать теплые сточные воды. Вытяжная вентиляция как источник теплоты неудобна: КТО низок, теплообменники будут громоздкими и дорогими. Кроме того, использовать теплый воздух не всегда позволяет разводка вентиляционных каналов.

Комплексная утилизация всех источников теплоты сложна. В каждом случае выбирают свою схему. Критерием служит не только уровень температуры, но и передаваемый тепловой поток: его может просто не хватить для ТН расчетной мощности.

ПрипроектированиисистемыотоплениясТНвсегдавозникает сравнение с альтернативными вариантами:

–газовым отоплением с газовым котлом и конвективными приборами отопления;

–централизованным отоплением с конвективными приборами отопления;

–электрическим отоплением с системой «теплый пол».

При анализе используем следующие параметры:

– А – ​площадь помещений, м2;

– Срад – стоимость​ радиатора, руб.;

– Скот – стоимость​ котла, руб.;

– Q – годовые​ затраты теплоты на отопление, кДж;

– СГкал – ​стоимость 1 Гкал теплоты, руб.;

– Qсг – ​теплота сгорания природного газа, кДж/м3;

– Спрг – стоимость​ 1 м3 природного газа, руб/м3;

– ηкот – КПД​ котла;

– Сэтп – стоимость​ системы «электрический теплый пол»

с монтажом, руб/м2;

73

– Сээ – ​стоимость электроэнергии, руб/кВт ∙ ч;

– Стн – ​стоимость теплонасосной установки, руб.;

– Свтп –стоимость​ системы«водянойтеплыйпол»смонтажом, руб/м2;

– ψэ – ​коэффициент преобразования энергии ТН. Варианты сопоставлены в табл. 1.

Здесь Gт, Gг,Gэ, Gтн – расходы​ в натуральном выражении при использовании топлива на ТЭЦ, газа, электроэнергии в прямом преобразовании и в ТН соответственно.

Суммарные затраты на строительство теплого дома и его отопление учитывают инфляцию и рост цен на энергоносители.

где r – индекс​ инфляции (ставка дисконтирования), %. Суммарные затраты на строительство и отопление через N лет

S = C + Pt,

где C – ​капитальные затраты в первый год эксплуатации. Единственное, на что можно повлиять на стадии проектирова-

ния здания, –это​ его тепловая защита. Можно выбрать материалы, технологии и толщину теплоизоляционного контура, вид остекления и т. п. При этом рассматривают все системы отопления.

Расчет показывает, что самым затратным является электрическое отопление, а самым экономичным – ​газовое. Капитальные затраты на ТН оказываются максимальными (несмотря наψэ > 1), ноотоплениесегопомощьюостаетсясамымэкономичным,егоэффективность возрастает сувеличением времени эксплуатацииt.

74

Все расчеты выполнены в допущении, что дефицит природного газа не рассматривают. При оскудении мировых запасов органическихэнергоносителейвперспективепреимуществаТНбудут только возрастать.

5.3.Кольцевые системы с теплонасосными установками

Косновным проблемам теплонасосного теплоснабжения относятся:

– затраты на подвод низкопотенциальной теплоты и отвод теплоты высокого потенциала;

– обеспечение переменных нагрузок: на 50… 100 % выше среднесезонной по отоплению и 2… 5-кратной по горячему водоснабжению;

– несовпадение графика требуемых нагрузок и возможностей подвода и отвода теплоты (холод требуется в дневные часы, когда кондиционеры перегружены).

Одной из удачных является кольцевая система. Она успешно применена, в частности, в здании «Ирис Конгресс Отель»

75

в Москве. Это восьмиэтажное здание, в котором размещены 195номеров,дваресторана,бар,фитнес-центрсбассейномисау- нами, бизнес-центр, 10 залов для конференций и банкетов.

Вкаждом из помещений предусмотрено кондиционирование воздуха,илирядомснимиустановленТНсиндивидуальноподобранными характеристиками. Все ТН реверсивные: предусмотренырежимыотопленияикондиционированиявоздуха.Онисвязаныобщимводянымконтуром,температураводывкоторомможет меняться от 18 до 32 °C (рис. 40).

Взависимости от того, в каком режиме работают отдельные ТН, водяной контур выполняет для них роль горячей или холодной среды. Если нагрузки «нагревателей» и «охладителей» воздуха совпадают, то система работает автономно, без теплообмена

76

с окружающей средой, и энергия затрачивается только на привод циркуляционных насосов и компрессоров ТН. Так происходит впереходный период (весна, осень).

Зимой отопительная нагрузка преобладает, в водяном контуре действует дополнительный источник (котел, сетевой теплообменник) ограниченной мощности, поскольку он является пиковым.

Летом преобладают системы охлаждения, и вода прокачивается через градирню. Для горячего водоснабжения используются ТН «воздух–вода».

Кольцевая схема является тепловым аккумулятором, она обеспечивает работу при переменных нагрузках. Еще бо́льшие возмож- ностидаетвключениевводянойконтурбака-накопителястэнами, работающими по выгодному ночному тарифу. Теплоизоляция водяных труб, проложенных внутри здания, нетребуется.

Система обеспечивает пофасадное регулирование. Весной и осенью солнечная сторона здания перегревается, в этой части требуется охлаждение воздуха, анатеневой стороне–нагрев​ .

Такиесистемыполучаютвсебольшеераспространениевмногофункциональных зданиях: вСША–в​ свыше 80% зданий отобщего числа при новом строительстве ипроектировании.

Собственная система отопления является кольцевым водяным контуром.ДляустановкивквартирахТН«воздух–вода»требуется:

–подключить ТН к системе отопления по водяному контуру;

–обеспечить циркуляцию воды в системе отопления летом;

–оформить документы для экономических расчетов. Кольцевая система полезна и в старом жилом фонде, где вме-

сто расчетных параметров отопления (95… 70 °C) фактически обеспечивается только 70… 50 °C. Традиционные меры (электроотопление, дополнительные приборы отопления, система «теплый пол») часто затратны и малоэффективны; увеличенный сетевой расход воды с низкой температурой на входе также бесполезен.

Включение ТН в линию обратной сетевой воды позволяет при низких расходе и температуре в сети увеличить температурный перепад (например, с 70–50 = 20 °C до 70–30 = 40 °C),

77

т. е. удвоить производительность системы без изменения гидрав- лического режима сети и потерь для остальных абонентов. Воз- можна как установка ТН «вода–вода» так и ТН «воздух–воздух» у отдельных потребителей – ​по аналогии с кольцевой схемой.

Наибольшую проблему в данном случае представляет оформ- ление распределенной выгоды между теплоснабжающей органи- зацией и потребителем.

6. ПРИМЕНЕНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

6.1. История создания и применения

Идею «умножителя теплоты» (heat multiplyer), названного позже тепловым насосом (heat pump), предложил У. Томсон (га- зовая холодильная машина, которая могла бы выполнять роль «умножителя», описана в п. 1.2). Томсон считал, что на отопле- ние с помощью такого устройства потребуется лишь 3 % топли- ва, затрачиваемого при традиционной схеме. Такое допущение излишне оптимистично. При КПД открытых каминов, широко применявшихся в то время в Великобритании, равном 15… 20 %, переход на воздушное отопление снизит потери в три-четыре раза, а остальное, по идее Томсона, обеспечит ТН с расчетным коэффициентом преобразования, равным Ψ = 4… 5. Однако КПД парового привода с открытым циклом не превышал 10 %, а привод с конденсатором – ​20 %. Если конденсатор использо- вать как прибор отопления, то появляется надежда на экономию 97 % топлива, но это, строго говоря, уже не будет теплонасосной схемой. Остается допустить, что паровой привод снабжался углем другого домовладельца, что сомнительно.

Тем не менее до реализации идеи дело дошло не сразу. Ав- стрийский инженер Петер фон Риттингер (1811–1872 гг.) в 1556 г. провел серию экспериментов и создал первый ТН, выпаривав- ший рассол в соляных шахтах. Идею подхватили в Швейцарии

78

Й. Вайбель и П. Пикар. Они создали аммиачные выпариватели соли в 1876 г. Их машина была более совершенной, чем ТН П.фонРиттингера.ПервыйпатентнаТНполучилв1912 г.швейцарец Г. Зоэлли. В качестве низкопотенциального источника теплоты он использовал грунт.

Дефицит топлива, возникший во время Первой мировой войны, стимулировал работы в данном направлении. После 1918 г. появились проекты отопления зданий с помощью ТН, многие из которых были реализованы.

Ученый Д. Дж. Холдейн в 1927 г. применил для отопления своего дома в Шотландии ТН, компрессор которого имел электропривод мощностью 5 кВт. Испаритель воздушного охлаждения находился снаружи, а конденсатор подогревал резервуар

спроточной водой, установленный в помещении.

В1931 г. в нью-йоркском небоскребе Эмпайр-стейт-билдинг применили теплонасосное отопление с геотермальным источником низкопотенциальной теплоты.

В1938–39 гг. в Цюрихе была создана крупная теплонасосная установка, использовавшая в качестве источника низкопотенциальной энергии речную воду. ТН имел ротационный компрессор и работал по парокомпрессионному циклу. При мощности 175 кВт ТН обеспечивал нагрев воды до 60 °C, расхода хватало для отопления ратуши. Для снятия пиковых нагрузок имелся тепловой аккумулятор. В летнее время ТН работал в режиме кондиционера.

Американский изобретатель-энтузиаст Роберт Вебер в1940-хгг., экспериментируя с холодильной камерой, обратил внимание, что из воздушного конденсатора выходит горячий воздух. Ничего, по-видимому, не зная о ТН, он использовал теплый поток для нагрева воды в бойлере. Для отопления дома такое количество теплоты оказалось даже избыточным: часть ее уходила в воздух. Веберсталпрогонятьводучереззмеевикиспомощьювентилятора распределять воздух по дому. Позже он закопал в грунт медные трубы,фактическиповторивужеизвестныевЕвропетехнические решения.

79

Вконце 1940-х гг. вСША поняли, что коммерческий успех обеспечит только промышленное производство ТН. В 1952 г. такие изделия стали поступать на рынок в больших количествах. В настоящее время в США действует более 30 млн ТН, а их ежегодный выпуск превышает 1 млн ед. Этому способствует теплый климат в большинстве штатов и преобладание индивидуальной жилой застройки.

Массовое применение ТН в мире началось в 1970-е гг.

6.2. Этапы развития

Интерес к ТН в мире многократно усилился после Второй мировой войны, вызвавшей, помимо прочего, дефицит всех видов топлива. Однако амбициозные проекты, подкрепленные полевыми измерениями и исследованиями, начались позже, в 1975– 1985 гг. Рассмотрим динамику процессов на примере Швеции.

Встране выделялись государственные субсидии для применения ТН с коллекторами неглубокого залегания. В централизованном теплоснабжении работало около 100 мегаваттных ТН, еще 110  000 ТН малой мощности обеспечивали теплоснабжение частных жилых домов.

ВСтокгольме с 1985 г. действуют установки Ropsten мощностью 250 МВт на морской воде и Hammarby мощностью 200 МВт на сточных водах. Исследования велись на работающих установках долгое время, что позволило накопить ценный опыт их применения.

Коэффициент использования β – ​отношение энергии, вырабо-

танной всеми ТН в течение года, к энергии, затрачиваемой на их работу, включая резервные источники теплоснабжения, – ​равнялся: 2,0… 2,5 – ​для грунтовых источников, 1,5… 2,2 – ​для наружного воздуха, 2,0… 2,5 – ​для вытяжного (вентиляционного) воздуха.

Хладагентами служили фреон R22 или R502. Проблем с защитой озонового слоя и глобальным потеплением тогда не существовало. Ситуация изменилась в 1986–1995 гг., когда завершился

80