1. Принцип действия теплового насоса

Использование альтернативных экологически чистых источников энергии может предотвратить назревающий энергетический кризис в Украине. Наряду с поисками и освоением традиционных источников (газ, нефть), перспективным направлением является использование энергии, накапливаемой в водоемах, грунте, геотермальных источниках, технологических выбросах (воздух, вода, стоки и др.). Однако температура этих источников довольно низкая (0–25°С) и для эффективного их использования необходимо осуществить перенос этой энергии на более высокий температурный уровень (50–100 °С). Реализуется такое преобразование тепловыми насосами (TH), которые, по сути, являются парокомпрессионными холодильными машинами (рис. 1).

Низкотемпературный источник (ИНТ) нагревает испаритель (3), в котором хладагент кипит при температуре –10°С…+5°С. Далее тепло, переданное хладагенту, переносится классическим парокомпрессионным циклом к конденсатору (4), откуда поступает к потребителю (ПВТ) на более высоком уровне.

Тепловые насосы используют в различных отраслях промышленности, жилом и общественном секторе. В настоящее время в мире эксплуатируется более 10 млн. тепловых насосов различной мощности: от десятков киловатт до мегаватт. Ежегодно парк ТН пополняется примерно на 1 млн. штук. Так, в Стокгольме тепловая насосная станция мощностью 320 МВт, используя зимой морскую воду с температурой +4 °С, обеспечивает теплом весь город [4]. В 2004 г. мощность тепловых насосов, установленных в Европе, составляла 4 531 МВт, а во всем мире тепловыми насосами была получена тепловая энергия эквивалентная 1,81 млрд. м3 природного газа. Перспективность применения тепловых насосов в Украине показана в [5].

Тепловые насосы подразделяют по принципу действия (компрессорные, абсорбционные) и по типу цепи передачи «источник-потребитель тепла». Различают следующие тепловые насосы: воздух-воздух, воздух-вода, вода-воздух, вода-вода, грунт-воздух, грунт-вода, где первым указывается источник тепла. Типовая схема гидравлического теплового насоса приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема гидравлическая теплового насоса:

1 – компрессор; 2 – источник теплоты низкого уровня (ИНТ); 3 – испаритель теплового насоса;

4 – конденсатор теплового насоса; 5 – потребитель теплоты высокого уровня (ПВТ); 6 – низкотемпературный теплообменник; 7 – регулятор потока хладагента; 8 – высокотемпературный теплообменник

Тепловой насос с гидравлической обвязкой (водяными насосами, теплообменниками, запорной арматурой и др.) называют тепловой насосной установкой. Если среда, охлаждаемая в испарителе, такая же, как и среда, нагреваемая в конденсаторе (вода-вода, воздух-воздух), то путем изменения потоков этих сред можно изменить режим ТН на обратный (охлаждение на нагрев и наоборот). Если среды – газы, то такое изменение режима называют обратимым пневматическим циклом, если жидкости – обратимым гидравлическим циклом рис. 2.

Рис. 2. Схема теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом

В случае, когда обратимость цикла осуществляется изменением направления хладагента с помощью клапана обратимости цикла, используют термин «тепловой насос, работающий в обратимом холодильном цикле».

2. Низкопотенциальные источники тепла

В системах кондиционирования широко используются тепловые насосы типа «воздух-воздух». Наружный воздух продувается через испаритель, а тепло, отводимое от конденсатора, нагревает воздух в помещении. Преимуществом таких систем является доступность воздуха. Однако температура воздуха (источника тепла) изменяется в большом диапазоне, достигая отрицательных значений. При этом эффективность теплового насоса сильно снижается. Так, изменение температуры наружного воздуха с 7°С до минус 10°С приводит к снижение производительности теплового насоса в 1,5–2 раза.

В тепловых насосах с водяными источниками тепла (реки, озера, моря) используется накопленная энергия солнца. Эта энергия является идеальным источником для тепловых насосов, так как она поступает непрерывно, хотя и является менее доступной, чем воздух. Температура воды в незамерзающих водоемах не опускается ниже 4°С, а артезианская вода имеет почти постоянную температуру 10°С. Учитывая, что при отборе тепла воду нельзя охлаждать ниже 0°С, перепад температуры на теплообменнике составляет несколько градусов. При этом для отбора необходимого количества тепла требуется увеличивать расход воды.

Контур отбора тепла из водоема может быть открытым или закрытым. В первом случае вода из водоема перекачивается через охладитель, охлаждается и возвращается в водоем. Такая система требует фильтрации подаваемой в охладитель воды и периодической чистки теплообменника. Закрытый контур укладывается на дно водоема. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода закрытого контура составляет порядка 30 Вт [2]. То есть для получения 10 кВт тепла контур должен иметь длину 300 м. Для того, чтобы контур не всплывал, на 1 погонный метр необходимо устанавливать груз около 5 кг.

Энергетически эффективны тепловые насосы, использующие геотермальные и подземные воды. В США федеральным законодательством утверждены требования по обязательному использованию геотермальных тепловых насосов (ГТН) при строительстве новых общественных зданий. В Швеции 50% всего отопления обеспечивается геотермальными тепловыми насосами. К 2020 г. по прогнозам Мирового энергетического комитета доля геотермальных тепловых насосов составит 75%. Срок службы ГТН составляет 25–50 лет.

В грунтовых ТН используется тепловая энергия, накопленная в грунте за счет нагрева ее солнцем или другими источниками. При горизонтальном исполнении трубопровод, в котором циркулирует жидкость, зарывается в землю на глубину ниже уровня промерзания почвы (1,0–1,5 м). Минимальное расстояние между трубами 0,8–1,0 м. Предпочтительным является влажный грунт. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода составляет 20–30 Вт. Таким образом, для получения 10 кВт тепла необходим земляной контур длиной 350–500 м, который можно разместить на участке земли площадью 400–500 м2.

При вертикальном исполнении грунтового ТН бурится скважина глубиной 60–200 м, в которую опускается U-образный трубопровод. Срок службы грунтового коллектора зависит от кислотности почвы: при нормальной кислотности (pH =5,0) – 50–75 лет, при повышенной (pH >5,0) – 25–30 лет.

Типовая принципиальная схема тепловой насосной установки приведена на рис. 3.

Рис. 3. Типовая принципиальная схема тепловой насосной установки:

а – водоем; б – грунтовой коллектор; в – геотермальная скважина;

1 – датчик наружной температуры; 2 – датчик температуры в помещении; 3 – фэнкоил; 4 – обогреваемый пол;

5 – гидромодуль; 6 – система горячего водоснабжения; 7 – бойлер; 8 – расширительный бак; 9 – тепловой насос;

10 – бак-аккумулятор; 11 – промежуточный теплообменник

3. Эффективность тепловых насосов

В качестве основного показателя эффективности теплового насоса применяется коэффициент преобразования или отопительный коэффициент СОР (coefficient of performance), равный отношению теплопроизводительности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором. В режиме охлаждения для оценки эффективности применяется холодильный коэффициент EER (energy efficiency ratio), равный отношению холодопроизводительности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором.

4. Пример построения теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом

Рассмотрим пример построения теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом, работающего круглогодично в двух режимах (охлаждение или нагрев) в зависимости от периода года с использованием оборудования компании CIAT (Франция.

Исходные требования:
Теплопроизводительность 510 кВт.
Низкотемпературный источник – морская вода с температурой:
теплый период года ≤20°С,
холодный период года 7°С.
Высокотемпературный потребитель – вода с температурой на выходе теплообменника 55°С.
Минимальная температура наружного воздуха – минус 10°С (Крым, Украина).

Данную задачу решим, используя тепловой насос с обратимым гидравлическим циклом, схема которого приведена на рис. 2.

Учитывая, что температура наружного воздуха отрицательная (минус 10°С) и для исключения использования специального теплообменного оборудования (конденсатор, испаритель) в водоохладителе, применяем двухконтурную систему. В первичном контуре применяем раствор этиленгликоля с температурой замерзания ниже -10°С (20-процентная смесь этиленгликоля с водой).

В соответствии с исходными требованиями выберем перепад температур на выходном высокотемпературном контуре Dtвых = 5 °С (50/55 °С). Тогда температуры теплоносителя в контуре конденсатора должны быть соответственно 55/60 °С. Для получения таких температур в тепловом насосе целесообразно использовать хладагент R134a [1].

В соответствии с исходными требованиями зададим перепад температур ИНТ 7/4 °С, тогда в контуре испарителя перепад температур соответственно составит 5/2 °С.

Используя программу подбора оборудования фирмы CIAT, определим тип и параметры теплового насоса в режимах работы на нагрев и охлаждение. Программа рекомендовала водоохлаждающую машину HYDROCIAT 2500B X LW/LWP R134a с параметрами, приведенными в табл. 1, внешний вид которой показан в табл. 5.

Таблица 1. Технические характеристики водоохлаждающей машины HYDROCIAT 2500B X LW/LWP R134a

 
Параметр Режим нагрева Режим охлаждения 
Производительность испарителя, кВт 326,0 395,9 
Теплоноситель MEG20% MEG20% 
Температура теплоносителя в испарителе (вход/выход), °С 5,0/2,0 6,0/2,0 
Расход теплоносителя через испаритель, м3/ч 102,8 93,4 
Производительность конденсатора, кВт 517,0 553,9 
Температура теплоносителя в конденсаторе (вход/выход), °С 55/60 45,1/50 
Расход теплоносителя через конденсатор, м3/ч 93,4 102,1 
Потребляемая мощность, кВт 191 158,0 

Далее подбираем пластинчатый высокотемпературный теплообменник «тепловой насос – потребитель» по следующим исходным данным (режим нагрева):
Температура воды (выход-вход): 55/50°С.
Температура 20-процентного раствора этиленгликоля в первичном контуре (выход-вход): 60/55 °С.
Расход 20-процентного раствора этиленгликоля: 93,4 м3/ч (см. табл. 1).

Программа CIAT выбрала пластинчатый теплообменник PWB 30 11 c 43 пластинами производительностью 517 кВт (табл. 2).

Таблица 2. Технические характеристики теплообменника PWB 30 11 с 43 пластинами (тепловой насос – потребитель) в режиме нагрева

 
Теплоноситель Вода MEG20% 
Температура теплоносителя (вход/выход), °С 50/55 60/65 
Расход теплоносителя, м3/ч 90,4 93,5 
Материал теплообменных пластин  нержавеющая сталь нержавеющая сталь 
Тип пластин 8H+13J 8H+13J 

Низкотемпературный теплообменник «морская вода – тепловой насос» в режиме нагрева подбираем по следующим исходным данным:
Источник низкопотенциальной теплоты (первичный контур): морская вода с температурой вход/выход – 7/4 °С.
Температура 20-процентного раствора этиленгликоля в первичном контуре 5/2 °С.
Расход 20-процентного раствора этиленгликоля 102,8 м3/ч.

Программа CIAT выбрала пластинчатый теплообменник PWB 45 11 c 63 пластинами производительностью 340 кВт (табл. 3).

Таблица 3. Технические характеристики теплообменника PWB 45 11 c 63 пластинами (море – тепловой насос)

 
Теплоноситель MEG20% морская вода 
Температура теплоносителя (вход/выход), °С 2/5 7/4 
Расход теплоносителя, м3/ч 103,0 100 
Материал теплообменных пластин  титан титан 
Тип пластин 10H+22J 10H+22J 

Выполним проверочный расчет рассчитанного ранее теплообменника PWB 30 11 с 43 пластинами для теплого периода года и определим температуры воды на выходе/входе потребителю.

Программа CIAT показала, что в летний период производительность теплообменника PWB 30 11 составит 437 кВт и температуры холодоносителя составят (выход/вход) 7,5/12 ºС. (табл. 4)

Таблица 4. Технические характеристики теплообменника PWB 30 11 с 43 пластинами (тепловой насос – потребитель) в режиме охлаждения

 
Теплоноситель MEG20% вода 
Температура теплоносителя (вход/выход), °С 2/6,2 12/7,85 
Расход теплоносителя, м3/ч 93,4 90,4 
Материал теплообменных пластин  нержавеющая сталь нержавеющая сталь 
Тип пластин 8H+13J 8H+13J 

Таким образом, подобранный тепловой насос HYDROCIAT 2500 XLW/LWP R134a обеспечивает:
в холодный период года теплопроизводительность 517 кВт при потребляемой мощности 191 кВт;
в теплый период года холодопроизводительность 395,9 кВт при потребляемой мощности 158 кВт.

рассчитанная выше принципиальная схема теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом рис. 4.

Вывод
Тепловые насосы, использующие возобновляемые источники тепла, являются самым энергетически эффективным отопительным оборудованием.
Системы, построенные на базе ТН, надежные, безопасные и долговечные.
Получение тепла посредством теплового насоса – экологически чистый технологический процесс.
Современное климатическое оборудование (например, CIAT, Франция) позволяет создать ТН с производительностью от десятков кВт до МВт.

 Информация взята с www.aircon.ru