044 592 12 04, 067 509 84 39

Полезные статьи

teplo1

Тепловые насосы

Тепловые насосы

Тепловые насосы

На сегодняшний день тепловые насосы стали достойной альтернативой традиционным системам отопления и горячего водоснабжения. Современная экономическая ситуация диктует постоянное повышение цен на энергоносители. Тепловой насос позволяет нам получать тепло из окружающей среды используя только электроэнергию для работы его конструктивных элементов. Также тепловой насос может утилизировать тепло вентиляционных выбросов и сточных вод, тем самым снижая вредное воздействие на окружающую среду, что, при нынешней экологической ситуации, несомненно, является актуальным.

Единственным минусом теплового насоса являются сравнительно крупные начальные капиталовложения и на первый взгляд длительный срок окупаемости. Но срок окупаемости – величина совершенно индивидуальная для каждого случая, зависящая от типа теплового насоса, условий его работы, цен на энергоносители, а также от методики расчета. Так что для каждого конкретного объекта можно найти оптимальное инженерное решение, которое позволит максимально эффективно использовать тепловой насос.

Немного истории

Описание цикла Карно

Описание цикла Карно

Принцип теплового насоса вытекает из работ Карно (описание цикла Карно было опубликовано в его диссертации в 1824 году). Практическую же теплонасосную схему предложил Вильям Томсон (позднее – лорд Кельвин) в 1852 году. Она была названа умножителем тепла и показывала возможность использования холодильной машины в целях отопления. Работала эта установка с использованием воздуха как рабочего тела. Уже тогда Томсон предвидел ограниченность количества ископаемого топлива.

Дальнейшее стремительное развитие тепловые насосы получили в 20-х – 30-х годах ХХ века. Тогда в Англии была создана теплонасосная установка. Первая крупная теплонасосная установка в Европе была реализована в Цюрихе в 1938-1939 гг. В ней использовалась теплота речной воды и была предусмотрена система аккумуляции тепла для покрытия пиковых нагрузок. В 1954 году был запроектирован тепловой насос в Наффилд колледже (Оксфорд). Источник тепла – сточные воды. В это же время активно производились и внедрялись тепловые насосы в США. На сегодняшний день Украина также вошла в число стран, активно использующих тепловые насосы.

Что же такое тепловой насос?

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 представляет собой обращённую холодильную машину. 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 теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель — теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Принципиальная схема компрессионного теплового насоса: 1-конденсатор, 2-дросселирующее устройство,3-испаритель, 4-компрессор

Принципиальная схема компрессионного теплового насоса: 1-конденсатор, 2-дросселирующее устройство,3-испаритель, 4-компрессор

Кроме компрессионных (используют работу сжатия-расширения) тепловых насосов существуют абсорбционные, электрохимические и термоэлектрические (используют теплоту химических реакций и т.п.).

Работу вышеприведенного внутреннего контура компрессионного теплового насоса можно описать следующим образом: хладагент поступает в испаритель под давлением через капиллярное отверстие, там за счёт резкого снижения давления происходит испарение. При этом хладагент забирает тепло у внутренних стенок испарителя, а испаритель, в свою очередь, забирает тепло у низкопотенциального источника, таким образом происходит его постоянное охлаждение. Компрессор, всасывая из испарителя хладагент, сжимает его, таким образом температура хладагента растет и выталкивает в конденсатор. Далее, в конденсаторе нагретый хладагент в результате сжатия отдает полученное тепло в отапливаемый контур и полностью переходит в жидкое состояние. Далее процесс циклично повторяется. Когда достигается нужная температура, терморегулятор, размыкая электрическую цепь, останавливает компрессор. После снижения температуры в отопительном контуре терморегулятор вновь замыкает цепь и включается компрессор.

Эффективность работы теплового насоса.

Чтобы оценить эффективность работы теплового насоса используется не привычная величина КПД, а безразмерный коэффициент трансформации энергии Ktr или СОР (Coefficient Of Performance). COP показывает соотношение между полезной тепловой мощностью (которую получает потребитель) и электрической мощностью компрессора. Коэффициент мощности зависит от разности температур между источником и приемником тепла.

где Tout,Tin — температуры соответственно на выходе и на входе насоса; Рн,Рэл – полезная мощность и потребляемая электрическая мощность.

где Tout,Tin — температуры соответственно на выходе и на входе насоса; Рн,Рэл – полезная мощность и потребляемая электрическая мощность.

Классификация тепловых насосов.

В зависимости от источника отбора тепла тепловые насосы подразделяются на:

  1. Геотермальные (используют тепло земли, наземных либо подземных грунтовых вод)
    • Грунтовые (замкнутого типа)
      • Горизонтальные — коллектор размещается кольцами или извилисто в горизонтальных траншеях ниже глубины промерзания грунта (обычно от 1,20 м и более). Такой способ является наиболее экономически эффективным для жилых объектов при условии отсутствия дефицита земельной площади под контур.

        Горизонтальные геотермальные насосы

        Горизонтальные геотермальные насосы

      • Вертикальные — коллектор размещается вертикально в скважины глубиной до 150 м. Этот способ применятся в случаях, когда площадь земельного участка не позволяет разместить контур горизонтально или существует угроза повреждения ландшафта.

        Вертикальные геотермальные насосы

        Вертикальные геотермальные насосы

    • Водные (открытого типа) — подобная система использует в качестве теплообменной жидкости воду, циркулирующую непосредственно через систему геотермального теплового насоса в рамках открытого цикла, то есть вода после прохождения по системе возвращается в землю (или водоем). Этот вариант возможно реализовать на практике лишь при наличии достаточного количества относительно чистой воды и при условии, что такой способ использования вод не запрещен законодательством. Возможно размещение коллектора извилисто либо кольцами в водоеме (озере, пруде, реке) ниже глубины промерзания. Это наиболее дешевый вариант, но есть требования по минимальной глубине и объему воды в водоеме для конкретного региона.

      Водные насосы

      Водные насосы

  2. Воздушные (источником отбора тепла является воздух). Системы этого типа имеют ограничения использования из-за того, что температура наружного воздуха (в данном случае источника тепла) в зимний период может достигать (-20º)-(-25ºС). При этом СОР теплового насоса будет значительно меньше его номинального значения. Поэтому при низких температурах наружного воздуха необходимо использовать оборудование с избыточной мощностью, что влечет за собой лишние капиталовложения.

    Воздушные насосы

    Воздушные насосы

  3. Использующие производное (вторичное) тепло (например, тепло трубопровода центрального отопления). Подобный вариант является наиболее целесообразным для промышленных объектов, где есть источники паразитного тепла, которое требует утилизации.

Источники тепла для теплового насоса

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) (7…9 оС);
  • подземные воды (грунтовые, артезианские, термальные) (0…10 оС; 25…40 оС);
  • вода естественных и искусственных водоемов (рек, озер, морей, прудов, водохранилищ) (5…24 оС);
  • наружный воздух (-10…+15оС).

В качестве искусственных источников низкопотенциального тепла могут выступать:

  • удаляемый вентиляционный воздух(15…25оС);
  • канализационные стоки (сточные воды);
  • промышленные сбросы;
  • тепло технологических процессов;
  • бытовые тепловыделения.

Преимущества и недостатки.

Преимуществами использования теплового насоса являются:

  • Экономичность: тепловой насос рационально использует электроэнергию (на 1кВт потребляемой мощности выдает 3…4 кВт тепла), не требует дополнительного обслуживания, долговечен, занимает немного места, нет необходимости закупать топливо и хранить его;
  • Экологичность: тепловой насос не выделяет в окружающую среду продуктов сгорания (СО2, СО, NOх ), используются озонобезопасные хладагенты, имеет низкий уровень шума;
  • Универсальность: можно совместить с действующей системой отопления или ГВС, эффективно работает в паре с котлом или гелиосистемой, не требует специального помещения для установки, летом может работать в режиме охлаждения или аккумулировать тепло (например в грунт).

Недостатки теплового насоса:

  • Высокие начальные капиталовложения при обустройстве теплонасосных систем;
  • Ограниченность применения для некоторых типов в зависимости от источника тепла (обратная зависимость его эффективности от разницы температур между источником теплоты и потребителем).

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх ↑