Тепловые насосы

Источники низкопотенциальной тепловой энергии 

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.

Воздух 

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. 

Тепловой насос  вода-вода 

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.

Водоём

Ближайший водоём –  идеальный источник тепла для  теплового насоса. При использовании  в качестве источника тепла воды озера или реки контур укладывается на дно. Этот вариант является идеальным  с любой точки зрения – «высокая»  температура окружающей среды (температура  воды в водоеме зимой всегда положительная), короткий внешний контур, высокий  коэффициент преобразования энергии  тепловым насосом.

На 1 метр трубопровода приходится ориентировочно 30 Вт тепловой мощности.Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длинной 300 метров.

Для того, чтобы трубопровод не всплывал, необходимо установить около 5 кг груза на 1 погонный метр трубопровода. 

Тепловой насос  грунт-вода 

2.3. Грунт

Грунт применяют  в качестве естественного источника  тепла для зимнего отопления  и летнего кондиционирования. Змеевики испарителя закладывают в грунт, причем выгодно используют его зонную аккумулирующую способность. По практическим данным, коэффициент m составляет от 2,2 до 3,2 в зависимости от внешних условий. Величины теплопередачи в грунте главным образом зависят от его влажности.

Тепловые насосы, использующие грунт в качестве источника  тепла, применяются для обслуживания жилых и торгово-административных сооружений. Грунт, как и подпочвенные воды, имеет одно преимущество –  относительно стабильную в течение  года температуру. Тепло отбирается по трубам, уложенным в землю горизонтально  или вертикально (спиралеобразно). Могут  использоваться:

системы прямого  расширения с охлаждающей жидкостью, испаряющейся по мере циркуляции в  контуре трубопровода, заглубленного  в грунт;

системы с рассольной жидкостью, прокачиваемой по трубопроводу, заглубленному в грунт.

В целом тепловые насосы рассольного типа имеют более  низкую производительность по сравнению  с агрегатами первого типа в силу происходящего в них “двойного” теплообмена (грунт – рассол, рассол – хладагент) и энергозатрат на обеспечения работы циркуляции рассола, хотя обслуживать такие системы существенно проще.

Тепловая емкость  грунта варьируется в зависимости  от его влажности и общих климатических  условий конкретной местности. В  силу производимого отбора тепла  во время отопительного сезона его  температура понижается.

В условиях холодного  климата большая часть энергии  извлекается в форме латентного тепла, когда грунт промерзает. В  летний период под действием солнца температура грунта вновь поднимается, и появляется возможность вернуться  к первоначальным условиям. Действующие  по такому принципу тепловые насосы обычно называют геотермическими, что по сути своей неверно, поскольку здесь  не задействовано радиогенное тепло  земли, содержащееся в глубинных  скальных породах.

Геотермическими (скальными) источниками можно пользоваться в регионах, где подпочвенных вод  мало или нет совсем. Тогда нужно  пробурить колодцы глубиной от 100 до 200 м. В случае если требуется обеспечить высокую тепловую мощность, колодцы  бурятся под определенным наклоном таким образом, чтобы добраться  и упереться в большой скальный массив. Для таких тепловых насосов  также применяется рассольная жидкость и пластмассовый сварной трубопровод, извлекающий тепло из скалы. В  некоторых системах скальная порода используется для аккумулирования  тепла или охлаждающей энергии. В силу высокой стоимости буровых  работ скальные породы для обслуживания жилого сектора применяются довольно редко.  

Скважина

При использовании  в качестве источника тепла скалистой  породы трубопровод опускается в  скважину. Можно пробурить несколько  не глубоких скважин – это, возможно, обойдётся дешевле, чем одна глубокая. Главное – получить общую расчетную  глубину.

Для предварительных  расчетов используется следующее соотношение  – 50-60 Вт тепловой энергии на 1 метр скважины. То есть, для установки  теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной 170 метров.

Земляной контур

При укладке контура  в землю желательно использовать участок с влажным грунтом, лучше  всего с близкими грунтовыми водами. Использование сухого грунта тоже возможно, но это приводит к увеличению длины  контура. Трубопровод должен быть зарыт  на глубину примерно 1 м, расстояние между соседними трубопроводами – примерно 0.8-1.0 м.

Удельная тепловая мощность трубопровода, уложенного в  землю трубопровода – 20-30 Вт/м. Т. е. для установки теплового насоса производительностью 10 кВт достаточно 350-450 м теплового контура, для  чего хватит участка 20х20 кв.м.

Специальной подготовки почвы не требуется, влияния на растения трубопровод при правильном расчёте  не оказывает.