Применение тепловых насосов

Тепловым насосом называется машина, которая поглощает низкопотенциальную теплоту из окружающей среды с температурой 4-6°С и выше и передает ее в систему теплоснабжения потребителей в виде нагретой воды или воздуха. Передача тепла производится телом - хладагентом (фреоном). Электроэнергия, потребляемая тепловым насосом, тратится лишь на перемещение фреона по системе с помощью компрессора точно так же, как в холодильных машинах. Система работает как котел при отоплении и как кондиционер при охлаждении. Зимой система тепло неостывшей земли передает в дом. Этот же цикл используется и при нагреве воды. Летом излишки тепла в доме передаются через теплообменник в обратном направлении.

На рис. 6.1 изображена схема теплового насоса.

Рис.6.1. Схема работы теплового насоса

1 - испаритель; 2 - компрессор; 3 - конденсатор; 4- дроссельный вентиль; 5- электрическая энергия; 6 - теплота от низкопотенциального источника тепловой энергии; 7 - теплота, отводимая от конденсатора

В качестве низкопотенциального источника тепловой энергии для обогрева дома может быть использовано тепло естественного происхождения (наружный воздух; тепло грунтовых, артезианских и термальных вод; воды рек, морей и других незамерзающих природных водоемов) или низкопотенциальная теплота искусственного происхождения (сбросные воды; нагретые продукты технологических процессов; вытяжной воздух системы вентиляции).

Завод изготавливает тепловые насосы производительностью от 10 до 200 кВт.

Грунт поверхностных слоев земли фактически представляет собой тепловой аккумулятор неограниченной емкости, тепловой режим которого формируется под воздействием двух основных факторов: солнечной радиации и потока радиогенного тепла, поступающего из земных недр. Падающая на земную поверхность солнечная радиация и сезонные изменения ее интенсивности оказывают влияние на температурный режим слоев грунта, залегающих на глубинах, не превышающих, как правило, 10-20 метров, ниже которых находятся слои, не подверженные сезонным колебаниям температуры. Глубина проникновения суточных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации в зависимости от конкретных почвенно-климатических условий колеблется в пределах от нескольких десятков сантиметров до полутора метров. Температурный режим слоев грунта, расположенных ниже глубин проникновения тепла солнечной радиации, формируется только под воздействием тепловой энергии, поступающей из недр земли и практически не зависит от сезонных, а тем более суточных изменений параметров наружного климата. Таким образом, на сравнительно небольшой глубине от поверхности имеются слои фунта, температурный потенциал которых в холодное время года значительно выше, чем у наружного воздуха. Характерным является факт запаздывания во времени колебаний температуры грунта относительно колебаний температуры воздуха, в связи с чем на некоторой глубине от поверхности максимальные температуры в грунте наблюдаются в наиболее холодный период года.

Общий вид теплового насоса системы горячего водоснабжения показан на рис. 6.2, а схема работы теплонасосной системы для горячего водоснабжения - на рис. 6.3.

Рис. 6.2. Общий вид теплового насоса для горячего водоснабжения здания

Установка не нарушает целостности интерьера и концепцию фасада здания, так как нет внутреннего и внешнего блоков и она занимает минимум пространства. Такие установки экологически чисты, так как работают без сжигания топлива и не производят вредных выбросов в атмосферу, а также чрезвычайно экономичны, поскольку при подводе к тепловому насосу, например, 1 кВт электроэнергии в зависимости от режима работы и условий, он производит до 3-4 кВт тепловой энергии.

Тепловые насосы комплектуются системой управления и автоматики, которая поддерживает заданный режим работы теплового насоса.

Энергетическая эффективность применения тепловых насосов зависит от температуры низкопотенциального источника и будет тем выше, чем более высокую температуру он будет иметь.

Экономическая эффективность применения тепловых насосов зависит от температуры низкопотенциального источника тепловой энергии; стоимости электроэнергии; себестоимости тепловой энергии, производимой с использованием различных видов топлива.

Применение тепловых насосов вместо традиционно используемых источников тепловой энергии экономически выгодно из-за отсутствия необходимости в закупке, транспортировке, хранении топлива и расходе денежных средств, связанных с этим; высвобождения территории, необходимой для размещения котельной и топливоподачи.

Вариант использования тепла вентиляционного воздуха в теплонасосной установке показан    на   рис. 6.4.

Здесь вентиляционный воздух прокачивается вентилятором 2 через теплообменник 3, который является частью теплового насоса. Различают следующие конструкции геотермальных насосов: с открытым циклом (рис. 6.5), когда теплоноситель подается непосредственно из водоема и после прохождения цикла охлажденным возвращается обратно; насос с закрытым циклом (рис. 6.6), когда теплоноситель прокачивается через замкнутый контур, который может быть проложен глубоко в земле или по дну водоема. Это более экологически безопасный метод, чем открытый цикл; насос с горизонтальным теплообменником (рис. 6.7), когда замкнутый контур теплообменника укладывается горизонтально в глубокие траншеи; насос с вертикальным теплообменником (рис. 6.8).

Рис. 6.4. Система сбора низкопотенциального тепла удаляемого воздуха:

1- вентиляционные шахты; 2 - вытяжной вентилятор; 3 - тепообменник-утилизатор; 4 - циркуляционный насос; 5 - испаритель теплового насоса;

6 - коллектор

Рис. 6.5. Насос с открытым циклом  Рис. 6.6. Насос с закрытым циклом

Рис. 6.7. Насос с горизонтальным теплообменником

Рис. 6.8. Насос с вертикальным теплообменником

При работе этих систем используется возобновляемое тепло солнечного излучения, которое накоплено в земле. Поэтому применение тепловых насосов снижает затраты энергии, полученной путем сжигания топлива и, соответственно, снижает выброс в атмосферу токсичных веществ. Кроме того, применение воздушных систем отопления позволяет контролировать состояние воздуха в помещении, удалять вредные примеси, частицы пыли, споры, различные аллергены и запахи.

Пример комплексного применения теплового насоса, когда используется тепло природное, вторичное (сбросное) вентиляционного воздуха, и сточных вод приведен на рис. 6.9.

Рис. 6.9. Пример комплексного использования природного и сбросного тепла:

1 - вытяжные шахты; 2 - теплоутилизатор; 3 - вентилятор; 4 - расширительный бак; 5 - испаритель; 6 - компрессор; 7 - бак-аккумулятор; 8 - конденсатор; 9 - теплообменник на сточных водах; 10 - система грунтового теплосъема

Однако теплонасосные установки имеют ограниченное применение в условиях суровой российской зимы. Их эффективность в чистом виде ограничивается температурой наружного воздуха —3—5°С, недостаточной солнечной радиацией и низкой температурой грунта 5-8°С Поэтому их использование рекомендуется параллельно с традиционными источниками тепла.

С учетом компактности, экономичности и простоты в обслуживании, тепловые насосы по совокупности эксплутационных параметров могут представлять интерес для различных категорий потребителей тепловой энергии.