1 Апреля 2018

Тепловые насосы – секрет популярности

Опубликовал К.В. Кулик

         Тепловой насос – это устройство, которое предназначается для  переноса тепловой энергии от источника с низким температурным потенциалом к высокотемпературному источнику тепла.

         В основе его работы положен тот же принцип, что используется обычными холодильными машинами. При этом назначение и целевой температурный потенциал будет разным, так как в одном случае мы хотим получить тепло, а в другом нас интересует холод. Основа работы любой холодильной машины – последовательность определённых термодинамических процессов. В существующих холодильниках тепло, образовываемое при охлаждении утилит хладагентом, практически не используется, а выбрасывается в окружающую среду. Поэтому, если найти ему применение, можно избежать затрат на получение тепла в другом месте.

         Тепловые насосы – это те же холодильники, только смысл их работы в том, чтобы наоборот получить это тепло при охлаждении. Термодинамика этих процессов идентична, просто от теплового насоса нам требуется получить тепло, а не холод, как от холодильника. Термодинамические  законы таких процессов гласят, что отбираемое в одном месте тепло за счёт совершаемой работы передаётся другому. Другими словами, система охлаждения холодильника обменивается теплом с окружающей средой, понижая его температурный потенциал.  Поэтому мы получаем холод в морозильной камере, а заднюю панель холодильника приходится оснащать радиатором для отвода избытка тепла, при этом она будет горячей. Кондиционер использует тот же принцип, только охлаждая помещение — он забирает тепло из него и в процессе теплообмена «уносит» на улицу.

         Тепловой насос работает так же, только он отбирает наружное тепло с низким температурным потенциалом чтобы обогреть им помещение. Чтобы такой процесс осуществился, необходимо подвести внешнюю энергию, поэтому большинство тепловых насосов работает, затрачивая электроэнергию.

         Некоторые тепловые насосы позволяют добиться значительного экономического эффекта благодаря низкой стоимости эксплуатации и долговечности установленных компонентов. Также тепловые насосы применяются и для конвекторного отопления пола.

       Как появились тепловые насосы?

         Свою историю эти устройства начинают ещё в 1852 году, когда Кельвин выпустил статью под названием "Об экономии на обогреве и охлаждении зданий посредством потоков воздуха". Эта статья затронула  тему о принципах работы обогревающих и охлаждающих систем, но им не судились воплотиться в жизнь вплоть до начала ХХ века. Своё признание и выход в массовое производство первые холодильники и кондиционеры получили ещё позже. Это послужило толчком для появления устройств, принцип работы которых состоит в обратном эффекте, когда система преобразовывает тепло, то есть тепловых насосов.

         Применение побочному теплу, выделяемому холодильной машиной нашёл Роберт Веббер. В 1940х года внимание американского изобретателя  заинтересовал тот факт, что морозильная камера сильно разогревает радиатор во время её эксплуатации, когда он случайно обжёгся, коснувшись его рукой. После этого он успешно применил разогретый радиатор для подогрева воды. Затем изобретатель установил вентилятор для его обдува чтобы нагревать помещение тёплым воздухом. Веббер  пошёл ещё дальше, собрав установку, которая напоминала морозильную камеру, только охлаждавшую подземный контур с циркулирующим хладагентом. Этот агрегат в результате обогревал дом — по сути, это был первый геотермальный насос. Успех стал настолько уверенным, что изобретатель вскоре отказался от использования традиционного котла для обогрева своего дома.

         Это стало инновационной идеей, завоевавшей популярность в США, а затем и в Европе, и со временем приобрела коммерческий успех.

       Принцип работы устройства

         Тепловой насос в своей работе опирается на базовые физические явления:

  1. Поглощение веществом теплоты происходит, когда оно испаряется, при конденсации же вещество наоборот выделяет её;
  2. Изменяя давление можно менять температуру вещества. При повышении давления также повышается температура, а при понижении давления она падает.

         Ниже приведена схема, которая наглядно демонстрирует взаимодействие основных компонентов теплового насоса в контуре, где циркулирует хладагент. Сюда входят испаритель, компрессор, конденсатор. По одной стороне идёт нагрев, по второй контур охлаждается.

         Получившие популярность в современном мире теплонасосные системы предусматривают не только получение тепла. Зависимо от поставленных целей благодаря функции, позволяющей переключать режимы, можно осуществлять и охлаждение.

         Функционирование теплового насоса требует электроэнергии. Её потребляют все задействованные компоненты, теплообменные контуры и вспомогательные процессы. Основными характеристиками тепловых насосов являются показатели мощности потребляемой электроэнергии и мощность тепловой энергии, которая вырабатывается. Коэффициентом трансформации называют соотношение энергии, которая вырабатывается, к количеству потребляемой для этого энергии. Зависит этот коэффициент от разности температур. Чем больше такая разница, тем менее эффективна установка. Чтобы обеспечить большую эффективность своей производительности тепловому насосу потребуется как можно больше тепла низкотемпературного источника, однако  при условии что это не будет охлаждать его слишком сильно. Только при таком условии соблюдается нарастание эффективности теплового насоса. Это объясняется незначительным ростом температурного напора.

         Что касается эффективности вообще и коэффициента трансформации  в частности, следует знать, что это непостоянная, зависящая от переменных величина. Следовательно, чем ниже температура внешней среды, из которой мы забираем тепло для обогрева, тем выше будет температура, на которую нам придётся воздух нагреть, а это означает одно — падение эффективности. На практике реальные коэффициенты эффективности находятся в пределах значений от 2 до 5.

       Основные виды приборов

         Тепловые насосы классифицируются по используемому источнику тепла. Это может быть вода, либо же воздух или грунт.

         Воздушные тепловые насосы

         Современные кондиционеры могу использоваться как тепловые насосы для обогрева, поскольку конструктивно и функционально предусматривают эту функцию чтобы использовать воздушную среду и для получения, и для сброса энергии, и вообще имеют схожую конструкцию. Эффективность такого теплового насоса сильно колеблется не только от тёплой поры года к холодной, но и в течение суток за счёт температурных перепадов, поэтому для России этот тип не будет эффективен, потому что снижение температуры воздуха снаружи неизбежно повлечёт  снижение эффективности. Зимой такие тепловые насосы уступают традиционному котлу, и хотя они могут использоваться в указанном температурном интервале, на практике целесообразность их использования имеет смысл при средних температурах, остающихся в пределах не ниже -10 градусов. Иначе говоря, это осуществимо для стран с более тёплым климатом. Есть два основных недостатка в установках такого типа - эффективность использования их для кондиционирования имеет средние показатели, а для отопления вообще низкий.

         Но вместе с тем они обладают и такими преимуществами в сравнении с другими разновидностями тепловых насосов как, к примеру, относительно быстрая окупаемость.

         Водяные тепловые насосы

         Здесь источником внешней среды для теплообмена выступает водная среда. В качестве неё могут послужить скважины грунтовых вод или ресурс глубокого водоёма. Эффективность данного типа насосов по сравнению с использующими воздух более  высока, потому что температура воды, особенно на глубине, более стабильна к температурным перепадам.

         В Швеции действует законодательная база, которая регулирует и поддерживает установку и использование тепловых насосов. Эта страна имеет большое количество таких используемых повсеместно устройств, и эта цифра составляет порядка 240000 шт. Тепловая мощность такой системы составляет 2920 МВт.

         К примеру, стокгольмская теплонасосная станция, использующая морскую воду, производит 275 МВт отопительной мощности, а мощность охлаждения при этом составляет 150 МВт. Усреднённое значение коэффициента составляет около 6,9; если сравнивать со значением коэффициента трансформации у воздушных насосов, то оно составляет в лучшем случае величину меньшую в 2 раза. Следовательно, преобладающее большинство водяных тепловых насосов эффективнее воздушных. Рациональным вариантом для использования в контурах теплообмена является глубинная озёрная вода. Другим более популярным и доступным источником  являются грунтовые воды.

         Водные тепловые насосы прекрасно справляются с теплообеспечением крупных объектов, таких как промышленные объекты, жилые массивы. Тепловая мощность тут зависит от доступного системе объёма используемой воды. Сложность эксплуатации состоит в постоянном регулировании водяных контуров. Это относится к  недостаткам водяных тепловых насосов, наряду со сложной процедурой монтажа.

         Геотермальные тепловые насосы

         Тепловые насосы, именуемые геотермальными, получили широкую популярность в частном сегменте за счёт универсальности и мощности сопоставимой с мощностью водяных насосов. Они часто предусматривают использование не только грунта, но они и воды в качестве теплообменной среды. Такие установки требуют укладки длинной трубопроводной системы, служащей коллектором, в подготовленную траншею. По нему циркулирует рассол, используемый в качестве хладагента. Трубы выбираются преимущественно из пластика, обеспечивающего лучшие гидравлические свойства и коррозионнную стойкость, в сравнении с трубопроводами из металла, хотя абсолютно не исключается и их использование. Риск повреждения системы практически отсутствует. Контура грунтовых насосов регулируются автоматически и не требуют дополнительного контроля.

         Коллектор под землю закладывается двумя основными способами — горизонтальным и вертикальным. Горизонтальный способ предусматривает закапывание труб в подготовленные траншеи.

         Глубина закладки теплоотбирающих змеевиков зависит от глубины промерзания почвы, и должна составлять не менее 1 метра ниже уровня, на который промерзает почва. Этот вариант наименее затратный ввиду того, что траншеи неглубоки, но применим только для тех стран, где глубина промерзания почвы не превышает показатель более 1 метра. Такой тип закладки коллектора может применяться не во всех регионах, потому что увеличение глубины закладки влечёт большие затраты на осуществление проекта. Для закладки также потребуется большая площадь земли, которую нельзя будет озеленять, высаживая на ней деревья, поскольку их корневая система может нанести трубопроводной системе.

         Второй способ заключается в том, что трубопровод закладывается в ряд вертикальных  скважин глубиной от нескольких десятков до 150 метров (зачастую около 50). Очень затратный, трудоёмкий и ресурсоёмкий способ, превышающий стоимость теплового насоса и его монтажа. Преимущества такого метода неоспоримы, такой закладке понадобится гораздо меньшая земельная площадь, и сезонные перепады с промерзанием верхних слоёв не повлияют на тепловую эффективность. Подводя итоги, главным минусом и недостатком данного типа тепловых насосов можно назвать высокую себестоимость и ресурсоёмкость закладки подземного коллектора.

         Преимуществами насосов данного типа являются: высокоэффективная системаотопления/охлаждения; широкая универсальность в применении для различных зданий; контроль контуров автоматизированный и обеспечивает бесперебойную работу.

         Комбинированные системы с солнечными коллекторами

         Вопрос использования возобновляемых нетрадиционных источников энергии актуален в наше время по-особенному. Именно поэтому отопительные системы, которые требуют энергии повышенного потенциала, часто нуждаются в рациональном и экономически эффективном подходе, поэтому поиск энергоэффективных технологий не стоит на месте, и использует комплексный подход, как например объединение двух типов систем, использующих нетрадиционные источники энергии.

         Если сравнивать два таких устройства для получения тепла как геотермальные тепловые насосы и геоколлекторы, то первые обладают немалыми преимуществами. Например, это возможность не только отапливать, но и охлаждать по мере надобности здание, переключая режимы. Тепловые излишки не нужно сбрасывать, когда она не используется, а отопление ведётся бесперебойно и независимо от погодных условий. Однако и у солнечных коллекторов есть свои преимущества. Они не «прожорливы» в потреблении электроэнергии, максимум выдаваемой энергии приходится на период промерзания почвы с февраля по апрель, когда эффективность грунтовых тепловых насосов наоборот снижается, а также то, что благоприятная солнечная погода позволяет выдавать солнечным коллекторам  мощность, несравнимую с тепловой производительностью геотермального теплового насоса.

         Соединяя эти два нетрадиционных источника тепла можно получить систему, объединяющую преимущества каждой. Суммируя этот положительный эффект,  такая система удобна тем, что функции отопления, кондиционирования, утилизации тепловых отходов осуществляется тепловым насосом. Он в свою очередь потребляет электроэнергию, получаемую от геоколлектора, который обеспечивает горячее водоснабжение и увеличивает продуктивность работы насоса, совершая дополнительный нагрев воды до целевых температур.