IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

Тепловой насос - устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой. Термодинамически тепловой насос аналогичен холодильной машине. Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путём  отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является тепло-обменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель - теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью механической энергии (электроэнергии), в то время как абсорбционные тепловые насосы могут также использовать тепло в   качестве источника энергии (с помощью электроэнергии или топлива).

Схематично тепловой насос можно представить в виде системы из трех замкнутых контуров: в первом, внешнем, циркулирует теплоотдатчик (теплоноситель, собирающий тепло окружающей среды), во втором - хладагент (вещество, которое испаряется, отбирая тепло у теплоотдатчика, и впоследствии конденсируется, отдавая тепло теплоприемнику), в третьем - теплоприемник (вода в системах отопления и горячего водоснабжения здания).

Внешний контур (коллектор) представляет собой уложенный в землю или в воду полиэтиленовый трубопровод, в котором циркулирует незамерзающая жидкость - антифриз. Как упоминалось ранее, источником низкопотенциального тепла может служить грунт, скальная порода, озеро, река, море и даже выход теплого воздуха из системы вентиляции какого-либо промышленного предприятия - лишь бы его температура была выше 1°С.

Во второй (внутренний) контур, где циркулирует хладагент, как и в бытовом холодильнике, встроены аппараты-теплообменники - испаритель и конденсатор, а также устройства, которые меняют давление хладагента - распыляющий его в жидкой фазе дроссель (узкое калиброванное отверстие) и сжимающий его уже в газообразном состоянии компрессор.

Рассмотрим рабочий цикл аппарата. Жидкий хладагент продавливается через дроссель, его давление падает, и он поступает в испаритель, где вскипает, отбирая тепло, поставляемое коллектором из окружающей среды. Далее газ, в который превратился хладагент, всасывается в компрессор, сжимается и выталкивается в конденсатор. Конденсатор является теплоотдающим узлом теплонасоса: здесь тепло принимается водой в системе отопительного контура. При этом газ охлаждается и сгущается в жидкость, чтобы вновь подвергнуться разряжению в расширительном вентиле и вернуться в испаритель. После этого рабочий цикл начинается сначала.

По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на шесть типов: «грунт-вода», «вода-вода», «воздух-вода», «грунт-воздух», «вода-воздух», «воздух-воздух». Почти все вновь выходящие на рынок устройства используют тепло выпускаемого из помещения воздуха. Также фильтруют и увлажняют при необходимости всасываемый извне воздух.

Внешний контур (откуда тепловой насос берет энергию)	Внутренний контур (чем обогревается / охлаждается дом)	Вид теплового насоса
Грунт	Вода
Вода	Вода
Воздух	Вода
Грунт	Воздух
Вода	Воздух
Воздух	Воздух

Отбор тепла от воздуха

Эффективность и выбор определённого источ ника тепловой энергии сильно зависит от климатических условий, особенно, если источником отбора тепла является атмосферный воздух. По сути, этот тип более известен в виде кондиционера. В жарких странах таких устройств десятки миллионов. Для северных стран наиболее актуален именно обогрев зимой. Системы «воздух-воздух» используются и зимой при температурах до - 25 , некоторые модели продолжают работать до - 40 . Но их эффективность резко падает. При более сильных морозах нужно дополнительное отопление.

Отбор тепла от горной породы

Скальная порода требует бурения скважины на достаточную глубину (100 -200 метров) или нескольких таких скважин. В скважину опускается U-образный груз с двумя пластиковыми трубками, составляющими контур. Трубки заполняются антифризом. По экологическим соображениям это 30 % раствор этилового спирта. Скважина заполняется грунтовыми водами естественным путём, и вода проводит тепло от камня к теплоносителю. При недостаточной длине скважины или попытке получить от грунта сверхрасчётную мощность, эта вода и даже антифриз могут замёрзнуть, что и ограничивает максимальную тепловую мощность таких систем. Именно температура возвращаемого антифриза и служит одним из показателей для схемы автоматики. Ориентировочно на 1 погонный метр скважины приходится 50-60 Вт тепловой энергии. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной около 170 м. Нецелесообразно бурить глубже 200 метров, дешевле сделать несколько скважин меньшей глубины через 10 - 20 метров друг от друга. Даже для маленького дома в 110-120 кв.м. при небольшом энергопотреблении срок окупаемости 10 - 15 лет. Почти все имеющиеся на рынке установки работают и летом, при этом тепло (по сути солнечная энергия) отбирается из помещения и рассеивается в породе или грунтовых водах. В скандинавских странах со скальным грунтом гранит выполняет роль массивного радиатора, получающего тепло летом/днём и рассеивающего его обратно зимой/ночью. Также тепло постоянно приходит из недр Земли и от грунтовых вод.

Отбор тепла от грунта

Самые эффективные, но и самые дорогие схемы предусматривают отбор тепла от грунта, чья температура не меняется в течение года уже на глубине нескольких метров, что делает установку практически независимой от погоды. При использовании в качестве источника тепла энергии грунта трубопровод, в котором циркулирует антифриз, зарывают в землю на 30-50 см ниже уровня промерзания грунта в данном регионе. На практике 0,7 - 1,2 метра. Минимальное рекомендуемое производителями расстояние между трубами коллектора - 1,5 метра, минимум - 1,2. Здесь не требуется бурение, но требуются более обширные земельные работы на большой площади, и трубопровод более подвержен риску повреждения. Эффективность такая же, как при отборе тепла из скважины. Специальной подготовки почвы не требуется. Но желательно использовать участок с влажным грунтом, если же он сухой, контур надо сделать длиннее. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 м трубопровода в год: в глине - 50-60 Вт, в песке - 30-40 Вт для умеренных широт, на

севере значения меньше. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длиной 350-450 м, для укладки которого потребуется участок земли площадью около 400 м² (20х20 м). При правильном расчёте контур мало влияет на зелёные насаждения.

Отбор тепла от водоёма

При использовании в качестве источника тепла близлежащего водоёма контур укладывается на дно. Глубина не менее 2 метров. Коэффициент преобразования энергии тепловым насосом такой же как при отборе тепла от грунта. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода - 30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса про-

изводительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длиной 300 м. Чтобы трубопровод не всплывал, на 1 пог. м устанавливается около 5 кг груза. Промышленные образцы: 70 - 80 кВт*ч/м в год.

Если тепла из внешнего контура всё же недостаточно для отопления в сильные морозы, практикуется эксплуатация насоса в паре с дополнительным генератором тепла (в таких случаях говорят об использовании бивалентной схемы отопления). Когда уличная температура опускается ниже расчётного уровня (температуры бивалентности), в работу включается второй генератор тепла - чаще всего небольшой электронагреватель.

Успешное экономическое развитие регионов России, создание благоприятных конкурентных условий для бизнеса, повышение жизненного уровня населения, реализация    национального проекта "Доступное и комфортное жилье - гражданам России" во многом зависят от использования современных энергоресурсосберегающих и экологически       эффективных технологий на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). С учетом проблем энергетической и экологической безопасности, ежегодного роста цен на энергоносители и других факторов, эти технологии все шире внедряются в мировую практику и позволяют обеспечить высокий уровень замещения ископаемого топлива, экологическую чистоту и независимые от поставщиков топлива схемы энергообеспечения.

Что касается географии потребления, то лидируют Московская, Ленинградская, Нижегородская, Новосибирская, Тюменская, Смоленская области, Краснодарский и Приморский край.

 Среди крупных проектов по внедрению ПТН можно назвать следующие:

•  жилой дом в микрорайоне Никулино-2 Москвы;
• ООО «Первый Чешско-Российский Банк» (Москва);
• ОАО «Ирбис» (Московская область);
• торговый центр «Радуга» (Санкт-Петербург);
• торговый центр «Европа» в г. Калининград;
• торговый комплекс «Охотный ряд» (Москва);
• торговый центр «Версаль» в г. Новосибирск;
• торговый комплекс в г. Находка;
• гостиница в г. Сочи;
• административно-гостиничный центр площадью в г. Краснодар;
• средняя школа №2 площадью в г. Усть-Лабинске;
• административный центр площадью в г. Краснодар;
• гостиница площадью в г. Адлер;
• сеть супермаркетов «Ашан» (Мытищи, Марфино, Теплый Стан, Красногорск, Марьино, Алтуфьево, Рязанский проспект)
• храм Казанской иконы Божией Матери в г. Находка;
• торговый центр в г. Кропоткин;
• административно-производственное здание в г. Краснодар;
• гостиница в Туапсинском районе Краснодарского края;
• система отопления поселка Первомайское, г. Наро-Фоминск.

Главная тенденция рынка парокомпрессионных геотермальных тепловых насосов - ужесточение конкурентной среды. Сейчас ведущие позиции занимают импортные поставщики (IVТ Vаrmepumpar, Thermia, Mammoth, Stiebel Eltron International GmbH.), но в последние годы стало появляться достаточно много отечественных производителей.

Молодые компании очень динамичны и активно пользуются маркетинговыми инструментами для своего продвижения, тем не менее, пока наибольший объем продаж остается за предприятиями, работающими на рынке с 1990-2000-х годов - ЗАО «НПП «Энергия», ОАО «Киров-Энергомаш», ОАО «ФГУП «Рыбинский завод приборостроения».

Основной объем российского потребления тепловых насосов приходится на жилищно-коммунальный и инфрастуктурный (торговые, гостиничные, санаторно-курортные объекты и т.д.) секторы. Все чаще геотермальные установки применяются и в индивидуальном жилищном строительстве. В промышленном строительстве также наметилась тенденция к увеличению спроса на тепловые насосы, что является следствием стремления компаний к сокращению собственных издержек. Например, на предприятиях «Руспромавто», «СеверстальАвто» внедряется система «Бережливое производство», разработанная и успешно действующая в автомобильном концерне Toyоta.

В Белгороде  компанией ООО «Трансюжстрой-ПГС» разработн проект энергоэффективного 3-х этажного 2-х подъездного 18-ти квартирного жилого дома экономического класса.

Проект энергоэффективного дома (ООО «Трансюжстрой-ПГС»)

Дом оборудован системой геотермального отопления, которое в 1,5-2 раза экономичнее газового. При строительстве энергоэффективного дома использовались самые современные технические решения: эффективная теплоизоляция ограждающих конструкций, установка энергоэффективных оконных блоков, датчиков освещения и движения, энергосберегающих ламп и автономного источника теплоснабжения.

Эффективность дома:

экономия тепла на подогрев приточного воздуха -                    22,15 МВт ч/год.

экономия тепла на нагрев горячей воды -                                     48,6 МВт ч/год.

экономия тепла на систему отопления -                                        56,8 МВт ч/год.

ОБЩАЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ЗДАНИЯ СОСТАВИЛА      127,55 МВт ч/год.

По словам исполнительного директора некоммерческого партнёрства «Жилищно-эксплуатационные компании Белогорья», на каждую квартиру здесь есть свой тепловой насос, который, используя принцип, обратный действию холодильника, забирает тепло земли и переносит его в дом при помощи закопанного в землю геотермального контура - труб, находящихся под землёй. В квартирах на месте отопительных приборов установлен так называемый фанкойл, выдающий тёплый воздух. Здесь же находится специальная панель, при помощи которой жильцы смогут устанавливать нужную температуру и уровень влажности. Более того, летом геотермальное отопление заменяет кондиционер, охлаждая нагретую воду под землёй и снижая температуру в квартире при помощи этой холодной воды.

Горячее водоснабжение и отопление спроектировано с использованием возобновляемых видов энергии. Источник тепла - грунт. Отбор тепла производится с помощью вертикального теплообменника, расположенного в грунтовом массиве. Система теплоотбора закрытая. Тепловой насос типа «водный раствор полипропилена - вода» с электроприводом (компрессор).

В настоящее время утверждена Энергетическая стратегия России на период до 2030 г., предусматривающая масштабное внедрение геотермальных тепловых насосов в жилищно-коммунальном хозяйстве страны. Долгосрочные перспективы рынка будут определяться успешностью реализации данной стратегии. В краткосрочной перспективе рост рынка будет ограничиваться нестабильностью экономического положения в стране. Тем не менее, в 2010-2014 гг. ожидается увеличение потребления парокомпрессионных геотермальных тепловых насосов в Центральном и Южном федеральных округах, связанное с реализацией региональных программ по энергосбережению, а также предстоящей сочинской Олимпиадой.

Использование тепловых насосов - это экологически чистый метод отопления и кондиционирования, так как здесь используется возобновляемая Солнцем тепловая энергия Земли.

Известно, что почти 40 % всей эмиссии двуокиси углерода - это результат использования энергии для отопления, кондиционирования и обеспечения потребности населения в горячей воде, что почти сопоставимо с уровнем вреда, приносимым выбросом в атмосферу выхлопных автомобильных газов. Тепловые насосы представляют собой механизмы, работающие на источнике нетрадиционной энергии, что позволяет примерно на 60% уменьшить выброс в атмосферу двуокиси углерода.

Тепловые насосы содержат небольшое количество механических компонентов, и, если учесть, что компрессорные системы обычно характеризуются довольно большим сроком эксплуатации, то такие системы долговечны и высоко надежны. Подземный трубопровод (петля из полимерных труб), используемый в системе, имеет срок службы более 50-и лет, да и сама система будет верой и правдой служить вам от 20-и до 30-и лет, и даже больше.

Эти агрегаты практически взрыво- и пожаробезопасны. Нет топлива и открытого огня, никаких вытяжных труб, отсутствуют опасные газы или смеси - таким образом, взрываться здесь просто нечему. Ни одна деталь не нагревается до температур, способных вызвать воспламенение горючих материалов. Остановки агрегата не приводят к его поломкам или замерзанию жидкостей. В сущности, тепловой насос опасен не более чем холодильник.

К преимуществам тепловых насосов в первую очередь следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт·ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2-0,35 кВт·ч электроэнергии. Так как преобразование тепловой энергии в электрическую на крупных электростанциях происходит с КПД до 50 %, эффективность использования топлива при применении тепловых насосов повышается. Упрощаются требования к системам вентиляции помещений, и повышается уровень пожарной безопасности. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.

Ещё одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фэн-койлы или системы «холодный потолок».

Тепловой насос надежен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в инструкции.

Важной особенностью системы является её сугубо индивидуальный характер для каждого потребителя, который заключается в оптимальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего.

Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.

К недостаткам тепловых насосов, используемых для отопления, следует отнести большую стоимость установленного оборудования.

Код для цитирования: Скопировать