Тепловые насосы

 

 По виду затрачиваемой энергии  холодильные машины разделяют  на компрессионные, теплоизолирующие и термоэлектрические. Компрессионные машины потребляют механическую энергию, теплоизолирующие - тепловую энергию источников тепла с температурой выше окружающей среды, термоэлектрические машины используют непосредственно электрическую энергию.

 В машинах первых двух  типов перенос тепла достигается  в результате совершаемого рабочим  телом в машине обратного кругового  процесса (обратный цикл). В термоэлектрической  машине перенос тепла происходит  при воздействии потока электронов  на атомы. 

 В зависимости от свойств  и агрегатного состояния рабочих  тел, при помощи которых осуществляются  процессы, холодильные машины делятся  на паровые и газовые. В паровых холодильных машинах рабочие тела при совершении процессов меняют свое агрегатное состояние. В газовых холодильных машинах агрегатное состояние рабочего тела не изменяется.

 В холодильной машине обратный  круговой процесс, совершаемый  за счет механической энергии,  полученной в прямом цикле,  может осуществляться в различных  условиях.

 Машина работает по холодильному  циклу, если тепло от источника  низкой температуры переносится  к окружающей среде. В этом  случае она служит для охлаждения  или поддержания постоянных низких  температур. При переносе тепла  от окружающей среды к источнику  с более высокой температурой  холодильная машина работает  как тепловой насос и используется  для теплоснабжения. Если тепло  переносится от источника низкой  температуры к источнику с  температурой выше окружающей  среды, машина работает по теплофикационному  циклу и служит как для охлаждения, так и для теплоснабжения.

 Тепловой насос - термодинамическая  установка, в которой теплота  от низкопотенциального источника передается потребителю при более высокой температуре. При этом затрачивается механическая энергия.

 Большую перспективу представляет  использование тепловых насосов  в системах горячего водоснабжения  (ГВС) зданий. Известно, что в годовом  цикле на ГВС расходуется примерно  столько же тепла, как и на  отопление зданий. Примером здания, в котором тепловые насосы  использованы для ГВС, является  многоэтажный жилой дом, построенный  в Москве в Никулино-2. В этом  здании в качестве источника  низкопотенциальной тепловой энергии используется тепло земли и тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Подробно эта система будет рассмотрена ниже.

 Источником низкопотенциальной тепловой энергии может быть тепло как естественного, так и искусственного происхождения. В качестве естественных источников низкопотенциального тепла могут быть использованы:

 • тепло земли (тепло грунта);

 • подземные воды (грунтовые,  артезианские, термальные);

 • наружный воздух.

 В качестве искусственных  источников низкопотенциального тепла могут выступать:

 • удаляемый вентиляционный  воздух;

 • канализационные стоки  (сточные воды);

 • промышленные сбросы;

 • тепло технологических  процессов; 

 • бытовые тепловыделения.

 Таким образом, существуют  большие потенциальные возможности  использования энергии вокруг  нас, и тепловой насос представляется  наиболее удачным путем реализации  этого потенциала.

 Ранее тепловой насос использовался  в первую очередь для кондиционирования  (охлаждения) воздуха. Система была  способна также обеспечить определенную  отопительную мощность, в большей  или меньшей степени удовлетворяющую  потребности в тепле в зимний  период. Однако характеристики этого  оборудования стремительно меняются: сейчас во многих странах Европы  тепловые насосы используются  в отоплении и ГВС. Такое  положение связано с поиском  экологичных решений: вместо традиционного сжигания ископаемого топлива - использование альтернативных источников энергии, например, солнечной. Для массового потребителя одним из наиболее предпочтительных вариантов использования нетрадиционных источников энергии является использование низкопотенциального тепла посредством тепловых насосов.

 Существуют разные варианты  классификации тепловых насосов.  Ограничимся делением систем  по их оперативным функциям  на две основных категории: 

 • тепловые насосы только  для отопления и/или горячего  водоснабжения, применяемые для  обеспечения комфортной температуры  в помещении и/или приготовления  горячей санитарной воды;

 • интегрированные системы  на основе тепловых насосов,  обеспечивающие отопление помещений,  охлаждение, приготовление горячей  санитарной воды и иногда утилизацию  отводимого воздуха. Подогрев  воды может осуществляться либо  отбором тепла перегрева подаваемого  газа с компрессора, либо комбинацией  отбора тепла перегрева и использования  регенерированного тепла конденсатора.

 Тепловые насосы, предназначенные  исключительно для приготовления  горячей санитарной воды, зачастую  в качестве источника тепла  используют воздух среды, но  равным образом могут использовать  и отводимый воздух.

 Следует отметить, что постепенно  увеличивается предложение тепловых  насосов класса реверсивные "воздух-вода", чаще всего поставляемых в  комплекте с расширительным баком  и насосным агрегатом. По отдельному  заказу поставляется накопительный  резервуар. Такие насосы можно  врезать непосредственно в существующие  водопроводные системы. 

 В Германии и других странах  Северной Европы распространены  тепловые насосы, которые используют  тепло, содержащееся в грунте. Диапазон тепловой мощности разработанных  моделей самый широкий - от 5 до 70 кВт. 

По данным на 2005 год из 90 млн. тепловых насосов, установленных в мире, только около 5 %, или 4,28 млн. аппаратов, смонтировано в Европе. Совсем немного по сравнению с 57 млн. систем, имеющихся в Японии, где такое оборудование является основным в обеспечении отопления жилого фонда. В Соединенных Штатах насчитывается 13,5 млн. установленных агрегатов, а еще только развивающийся китайский рынок достиг уровня 10 млн. систем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Источники низкопотенциальной тепловой энергии.

 

Тепловой насос предназначен для  использования энергии, получаемой от источника тепла низкой температуры. Тепловые, энергетические и экономические характеристики тепловых насосов тесно взаимосвязаны с характеристиками источников, из которых насосы берут тепло. Идеальный источник тепла должен давать стабильную высокую температуру в течение отопительного сезона, не быть коррозийным и загрязняющим, иметь благоприятные теплофизические характеристики, не требовать существенных инвестиций и расходов по обслуживанию. В большинстве случаев имеющийся источник тепла является ключевым фактором, определяющим эксплуатационные характеристики теплового насоса.

 В качестве источников тепла  в небольших системах на базе  тепловых насосов широко используются  наружный и отводимый воздух, почва и подпочвенная вода, для  систем большой мощности применяются  морская, озерная и речная вода, геотермические источники и грунтовые  воды.

 

2.1. Воздух.

 

 Наружный воздух, будучи совершенно  бесплатным и общедоступным, является  наиболее предпочитаемым источником  тепла. Тем не менее тепловые насосы, применяющие именно воздух, имеют фактор сезонной нагрузки (SPF) в среднем ниже на 10-30 % по сравнению с водяными тепловыми насосами. Это объясняется следующими обстоятельствами:

 • быстрым снижением мощности  и производительности с падением  наружной температуры; 

 • относительно большой разностью  температур конденсации и испарения  в период минимальных зимних  температур, что в целом снижает  эффективность процесса;

 • энергозатратами на размораживание испарительной батареи и функционирование соответствующих вентиляторов.

 В условиях теплого и влажного  климата на поверхности испарителя  в диапазоне от 0 до 6 °С образуется изморось, что ведет к снижению мощности и производительности теплового насоса. Иней уменьшает площадь свободной поверхности и препятствует прохождению воздуха. Как следствие, снижается температура испарения, что, в свою очередь, способствует нарастанию инея и дальнейшему неуклонному снижению производительности вплоть до возможной полной остановки агрегата вследствие срабатывания контрольного датчика низкого давления, если прежде не будет устранено обледенение.

 Размораживание батареи осуществляется  путем инверсии охлаждающего  цикла или иными, хотя и менее  эффективными способами. 

 Энергопотребление имеет тенденцию  к росту. Общий коэффициент  производительности СОР сокращается  с увеличением частоты размораживания. Применение специальной системы  контроля, обеспечивающей размораживание  по требованию (т. е. когда оно  фактически необходимо), а не периодическое,  может существенно повысить общую  эффективность. 

 Еще один источник тепла  в жилых и торгово-административных  сооружениях - отводимый вентиляционный  воздух. Тепловой насос регенерирует  тепло из отводимого воздуха и обеспечивает приготовление горячей воды или теплого воздуха для отопления помещений. В этом случае, однако, требуется постоянное вентилирование в течение всего отопительного сезона или даже целого года, если предусмотрено кондиционирование помещений в летний период. Существуют аппараты, в которых конструктивно изначально заложена возможность использования и отводимого вентиляционного, и наружного воздуха. В некоторых случаях тепловые насосы, применяющие отводимый воздух, используются в комбинации с рекуператорами "воздух-воздух".

 Воздух как универсальный  теплоноситель используется в  больших установках круглогодичного  кондиционирования. Он обладает  низкими значениями коэффициентов  теплоотдачи, поэтому для уменьшения  поверхности испарителя приходится  снижать температуру кипения  рабочего тела, вследствие этого  уменьшается степень совершенства  теплонаносной установки. Данные  испытания таких установок, использующих  воздух в качестве источника  тепла, свидетельствуют о том,  что средний коэффициент m за отопительный сезон не превышает 2 - 2,5. В периоды пик, т. е. При эпизодически низких температурах наружного воздуха, включают запасные электронагреватели. Наилучшим методом борьбы с инеем является его автоматическое оттаивание, проводимое периодически.

 

2.2. Вода.

 

Наиболее целесообразно применение отходов теплой воды промышленных предприятий, в том числе циркуляционной воды тепловых электростанций и др. Кроме  того, используют также естественные горячие источники в курортных  местностях.

 

Ввиду больших расходов употребление городской воды неэкономично. Однако водные источники из сравнительно глубоких слоев почвы, имеющие температуру  близкую к среднегодовой, обеспечивают более высокий коэффициент преобразования m по сравнению с воздухом.

 

Подпочвенные воды есть во многих местах, они имеют достаточно стабильную температуру в диапазоне от 4 до 10 °С. Для использования воды как источника тепла применяются, главным образом, открытые системы: подпочвенная вода откачивается и подается на теплообменник системного агрегата, где у воды отбирается часть содержащегося в ней тепла. Вода, охлажденная таким образом, отводится в сливной колодец или в поверхностные воды. Открытые системы требуют самого тщательного проектирования в целях предотвращения проблем с замерзанием, коррозией и накоплением отложений.

 

Большим недостатком тепловых насосов, работающих на подпочвенных водах, является высокая стоимость работ по монтажу  водозабора. Кроме того, следует  учитывать требования, порой весьма жесткие, местных администраций в вопросах организации сточных вод.

 

Речная и озерная вода с теоретической  точки зрения представляется весьма привлекательным источником тепла, но имеет один существенный недостаток - чрезвычайно низкую температуру  в зимний период (она может приближаться к 0 °С). Если используются вода рек, озер и морей, то в зимний период она  может замерзать на стенках испарителя. По этой причине требуется особое внимание при проектировании системы  в целях предотвращения замораживания  испарителя.

 

Морская вода представляется в некоторых  случаях отличным источником тепла  и используется в основном в средних  и крупных системах. На глубине  от 25 до 50 м морская вода имеет  постоянную температуру в диапазоне  от 5 до 8 °С. И, как правило, проблем  с образованием льда не возникает, поскольку  точка замерзания здесь от -2 до -10 °С. Есть возможность использовать как системы прямого расширения, так и системы с рассолом. Важно  лишь использовать теплообменники и  насосные агрегаты, стойкие к воздействию  коррозии, и предотвращать накопление отложений органического характера  в водозаборном трубопроводе, теплообменниках, испарителях и пр.

 

Грунтовым водам свойственна относительно высокая и стабильная в течение  года температура. Основные ограничения  здесь могут составлять расстояние транспортировки и фактические  ресурсы, объем которых может  меняться. Примерами возможных источников тепла в данной категории носителей  можно считать грунтовые воды на канализационных участках (очистные и прочие водостоки), промышленные водостоки, водостоки участков охлаждения промышленных конденсаторов или производства электроэнергии.