На протяжении определенного периода времени тепловые насосы рассматривали в качестве агрегатов или неких систем, возможности которых ограничены охлаждением воздушной массы, а также обеспечением определенной отопительной производительности.
С каждым годом тепловые насосы наделяют новыми возможностями, поэтому на рынках многих европейских государств произошла смена приоритетов. Таким образом, тепловой насос здесь изначально необходим для обеспечения тепловой потребности, тем временем как на второй план поставлена функция охлаждения. Кроме того, участились случаи, когда тепловые насосы начали использовать исключительно в качестве отопительных устройств.
Произошедшей перемене способствовали следующие факторы:
- поиск альтернативного экологичного решения отопительной системы, способной заменить традиционную систему;
- забота о качестве воздуха в крупных населенных пунктах;
- уменьшение негативного влияния, создаваемого парниковым эффектом (это касается и работы отопительных систем, которые сжигают ископаемое топливо);
- повышение качественных показателей тепловых насосов;
- уменьшение негативного влияния систем на окружающее пространство благодаря новым теплоносителям.
Возобновляемые источники энергии стали весьма необходимы по причине удовлетворения первых двух указанных факторов. При этом, невзирая на большие перспективы, возобновляемым источникам энергии еще не удалось достичь уровня максимального удовлетворения ожиданий преобладающего потребительского сегмента. Если рассматривать данный аспект, использование тепловых насосов подтверждается на цифрах, которые являются немалыми.
Классификация и функционал тепловых насосов
Нужно сказать, что классификация тепловых насосов характеризуется разными вариантами оборудования, поэтому мы сделаем акцент на разделении тепловых насосов с учетом выполняемых ими функций:
- тепловые насосы, с помощью которых отапливается здание и (или) функционирует горячее водоснабжение;
- тепловые насосы, с помощью которых охлаждается здание на протяжении 12 месяцев (с дополнительной функцией отопления).
В данное время наибольшее предпочтение рынок отдает реверсным устройствам типа «воздух-воздух». Тепловые насосы, имеющие среднюю и большую мощность и используемые для объектов обслуживающей отрасли, наделены гидравлическими контурами, позволяющими распределять тепло и холод. Вместе с тем у них есть возможность параллельного обеспечения рабочих режимов.
Тепловые насосы могут быть частью интегрированных систем, благодаря которым помещения отапливаются и охлаждаются. Кроме того, такие системы могут приготавливать воду для ГВС и в определенных случаях утилизировать тепло вытяжной воздушной массы.
В тепловых насосах, которые способны только готовить горячую воду, в большинстве случаев источником тепла является наружная воздушная масса. Однако такие устройства не пренебрегают использованием удаляемого воздуха.
С учетом режимов функционирования тепловые насосы могут быть моновалентными и бивалентными. Для определения производительности теплового насоса необходимо учитывать моновалентный и бивалентный режимы функционирования. При работе в моновалентном режиме тепловому насосу приходится выполнять функцию единственного генератора тепла или холода.
Что касается бивалентных тепловых насосов, они в полной мере выполняют функцию охлаждения. При этом доля тепловой нагрузки при их функционировании в зимний период может снижаться на 20-60 процентов, а в отопительный сезон (осень-весна) – на 50-95 процентов. Покрытие пиковой нагрузки происходит благодаря дополнительным источникам тепловой энергии, газовым, жидкотопливным или электрическим котлам.
На территории североевропейских государств распространено использование тепловых насосов для отопительных систем, которые извлекают тепловую энергию из грунта. Разработанные модели имеют тепловую производительность в пределах 5-70 киловатт. Торгово-административные здания оборудованы системами с тепловыми насосами, которые способны:
- распределять воздух централизованно;
- приготавливать горячую и холодную воду;
- распределять воду между водопроводными контурами.
Здания, имеющие средние и большие размеры, лучше всего оборудовать закрытой водяной кольцевой системой. При этом каждое обслуживающее помещение строительного объекта будет иметь отдельный реверсивный тепловой насос. Применение данных систем наиболее эффективно в зданиях, которые имеют много помещений. В частности, это касается административных зданий, кооперативных домовладений, гостиниц, мотелей, торговых комплексов. Последние получили подобные системы совсем недавно. Следует отметить, что распространение кольцевых водяных систем началось еще в середине прошлого века. Богатый эксплуатационных опыт таких систем привел к тому, что на сегодняшний день их надежность не уступает традиционным системам.
В состав кольцевой водяной системы входят автономные реверсивные установки класса «вода-воздух», которые объединены замкнутым гидравлическим контуром, создаваемым благодаря двум трубопроводам – прямому и обратному. Система также включает градирню и тепловой генератор.
Примерная схема водяного контура кольцевой теплонасосной системы
Принцип работы кольцевой теплонасосной системы с различными тепловыми насосами
Работа замкнутого водяного контура возможна в режиме источника тепловой энергии, предназначенного для потребления энергии системными агрегатами, находящимися в режиме устройства нагнетания тепла, а также в режиме источника холода, потребляющего тепловую энергию от агрегатов, функционирующих в режиме охлаждения. В случае равенства количества устройств, работающих для обеспечения тепла и холода, происходит самоуравновешивание системы. Тем самым, она не требует получения внешней тепловой энергии и перестает выполнять функцию переработки тепла. Все остальные случаи предусматривают потребность системы в дополнительной тепловой энергии или выводе избыточной теплоты в окружающую среду. Функционирование системы в зимнее время года (в условиях падения температуры воды ниже 21 градуса Цельсия) предполагает запуск вспомогательного котла, работающего на обогрев. При этом в летний период, на протяжении которого температурный уровень превышает отметку в 29 градусов Цельсия, системе требуется включение градирни.
Замкнутые теплонасосные системы отличаются:
- непрерывностью функционирования системы (в случае прекращения работы одного или нескольких агрегатов работа остальных компонентов не прекращается);
- параллельным производством тепла и холода (у тепловых насосов типа «вода-воздух», объединенных в водопроводный контур, есть возможность тепло- и холодообеспечения с учетом пользовательских потребностей);
- коэффициентом полезного действия, который у насосов типа «вода-воздух» минимум на 20 процентов больше в сравнении с агрегатами типа «воздух-воздух» (это приводит к снижению уровня энергопотребления).
Вместе с тем замкнутым теплонасосным системам характерны следующие недостатки:
- повышенный уровень шума, который исходит от автономных агрегатов, установленных в помещении;
- необходимость выделения большого пространства, требуемого для установки агрегата;
- обслуживаемое помещение служит местом проведения технического обслуживания агрегата.
Более 75 процентов тепловых насосов, работающих на территории европейских государств, работают в режиме использования наружного воздуха для получения низкопроизводительной тепловой энергии. Вместе с тем на шведском, австрийском и швейцарском рынках отдается предпочтение тепловым насосам, забирающим тепловую энергию из почвы. Доля таких устройств на рынках указанных государств составляет 28, 82 и 40 процентов соответственно. Потребительский сектор североевропейских государств примечателен использованием тепловых насосов исключительно для теплового обеспечения зданий и поддержания системы ГВС.
Теплоносителем в таких системах является вода, имеющая низкую температуру. С ее помощью осуществляется питание отопительных приборов, а также системы теплый пол.
Использование систем типа «воздух-воздух», в первую очередь раздельных реверсивных, актуально на итальянском, испанском и греческом рынках. В целом южноевропейские государства пользуются системами с тепловыми насосами, которые большую часть времени кондиционируют воздушную массу на протяжении летнего периода.
Таблица 1. Температурные рамки, характерные для основных тепловых источников, которые применяются в системах с тепловыми насосами, работающих в режиме производства тепловой энергии
Источник тепловой энергии |
Температурные рамки,°С |
Наружный воздух |
-10...+15 |
Вытяжной воздух |
+15...+25 |
Грунтовая вода |
+4...+10 |
Озерная вода |
0...+10 |
Речная вода |
0...+10 |
Морская вода |
+3...+8 |
Грунт |
0...+10 |
Таблица 2. Значения трансформационного коэффициента (СОР), относящиеся к тепловым насосам типа «вода-вода»
Тип системы отопления и значения температуры прямой и обратной воды |
СОР |
Системы традиционных радиаторов (+60/+50 °С) |
2,5 |
Системы на основе теплых полов (+35/+30 °С) |
4,0 |
Вентиляционно-конвекторные системы (+45/+35 °С) |
3,5 |
В таблице 2 трансформационный коэффициент указан с учетом температуры воды, поступающей к испарителю, на уровне 5 градусов Цельсия.
Коэффициент трансформации геотермального теплового насоса
Тепловые источники
Тепловые насосы наделены тепловыми, энергетическими и экономическими характеристиками, которые зависят, в том числе и от характеристик тепловых источников.
Задачей идеального источника является предоставление стабильной высокой температуры на протяжении отопительного периода времени. Также он должен иметь минимальную степень коррозионного воздействия и загрязнения окружающего пространства, а также быть инвестиционно оправданным и экономически выгодным в плане сервиса.
Большинство случаев предполагают выполнение источником тепла роли ключевого фактора, благодаря которому возможно определение эксплуатационных характеристик теплового насоса. В таблице 1 приведен список температурных показателей, которые относятся к самым распространенным тепловым источникам.
Небольшие системы с тепловыми источниками зачастую извлекают тепловую энергию из наружного и вытяжного воздуха, а также грунта и грунтовых вод. Вместе с тем высокопроизводительные системы берут тепло из морской, озерной и речной вод, а также геотермальных источников и грунтовых вод.
В тепловом насосе обязательно содержится компрессор, потребляющий электрическую энергию. Вырабатываемая тепловая энергия в соотношении с потребляемой электрической энергией образуют коэффициент трансформации, который также именуется как коэффициент преобразования тепловой энергии (COP). Данный показатель отражает эффективность теплового насоса.
На эффективную работу теплового насоса влияет разность температур теплоносителя отопительной системы и низкопотенциального теплового источника. Увеличению коэффициента трансформации теплового насоса способствует сокращение разницы указанных величин. В результате, чтобы увеличить эффективность системы, в которой установлен тепловой насос, а также уменьшить эксплуатационные расходы, при выборе отопительной системы с тепловым насосом необходимо акцентировать внимание на низкотемпературных системах. Наглядным примером такой системы является теплый пол. Отопительной системе с тепловым насосом необходимо извлекать низкопотенциальное тепло без стремления к сильному охлаждению теплового источника. Соблюдение данного условия приводит к увеличению эффективности теплового нагнетательного устройства, так как слабое охлаждение теплового источника не приводит к значительному увеличению температурной разницы. В связи с этим инженеры создают такие проекты отопительных систем с тепловым насосом, которые предусматривают большую массу низкопотенциального теплового источника по сравнению с нагреваемой массой теплоносителя.
С некоторыми значениями трансформационного коэффициента можно ознакомиться в таблице 2. Они характерны для тепловых насосов типа «вода-вода», используемых в разных системах.
Сегодня на рынке существуют различные модели и конструктивные модификации тепловых насосов, имеющие широкий диапазон производительности. Они созданы для удовлетворения потребностей даже самых привередливых пользователей. Современные тепловые насосы являются достойной заменой традиционных газовых котлов, которые включены в низкотемпературные отопительные системы, используемые как в зданиях жилого назначения, так и в торгово-административных зданиях.
Воздух
Общедоступность и бесплатность наружного воздуха позволяет ему выполнять роль наиболее предпочитаемого теплового источника. Вместе с тем средняя сезонная нагрузка тепловых насосов, использующих в качестве теплового источника воздушную массу, уменьшена на 10-30 процентов в сравнении с водяными тепловыми нагнетателями. Этому способствуют следующие обстоятельства:
- быстрое уменьшение производительности в случае падения температуры воздуха;
- значительная разница температур испарения и конденсации на протяжении зимнего периода, когда наблюдаются пиковые отрицательные температуры воздуха (приводит к снижению эффективности процесса);
- энергетические затраты, направленные на работу соответствующих вентиляторов и размораживание испарителя.
Теплые и влажные климатические условия (с учетом температуры в пределах 0-6 градусов Цельсия) приводят к тому, что поверхность испарителя становится местом образования конденсата. В итоге снижается мощность и производительность теплового насоса.
Наличие инея приводит к уменьшению площади свободной поверхности и недостаточной проходимости воздушной массы. В результате наблюдается снижение температуры испарения, по причине чего и нарастает иней, а также неуклонно снижается производительность агрегата. Таким образом, мы можем наблюдать полное прекращение работы теплового насоса, так как сработает контрольный датчик низкого давления. В связи с этим необходимо своевременно устранить обледенение.
Еще одним источником тепловой энергии в зданиях жилого и торгово-административного назначения является удаляемая вентиляционная воздушная масса.
Функционирование теплового насоса связано с регенерацией тепловой энергии из удаляемой воздушной массы и обеспечением приготовления горячей воды или теплого воздуха, используемого в отопительной системе. Данный случай предусматривает необходимость организации постоянного вентилирования на протяжении отопительного времени или всего календарного года (в случае работы системы кондиционирования в течение летнего периода).
Нужно сказать о существовании аппаратов, конструкция которых позволяет использовать как отводимый вентиляционный воздух, так и наружный воздух. Иногда работа тепловых насосов, в которых используется отводимый воздух, осуществляется вместе с рекуператорами, работающими по принципу «воздух-воздух».
Вода
Территория присутствия грунтовых вод является достаточно обширной. Их преимуществом является стабильная температура, диапазон которой колеблется в пределах 4-10 градусов Цельсия.
С целью их эффективного использования требуется установка открытых систем. Принцип их работы заключается в откачке грунтовой воды и подаче ее на теплообменник теплового насоса, задачей которого является извлечение содержащейся в воде тепловой энергии. После этого лишенная части тепла вода выводится к сливному колодцу или на поверхность земли. Проектирование открытых систем должно выполняться соответствующим образом, чтобы предотвратить замерзание, коррозию и накопление отложений.
Тепловые насосы, использующие грунтовые воды в качестве источника тепла, имеют существенный недостаток, заключающийся в высокой стоимости работ, направленных на организацию водозабора. Например, на территории определенных районов имеются грунтовые воды, которые находятся на глубине, равной более 150 метрам.
Что касается речной и озерной воды, теоретически она позиционируется как очень привлекательный тепловой источник. При этом ее существенным недостатком является чрезвычайно низкая температура в зимнее время года (около 0 градусов Цельсия).
Возникновение таких ситуаций может привести к замораживанию испарителя. В связи с этим на качество проектирования подобных систем должен быть поставлен серьезный акцент.
Многие средние и крупные системы в качестве источника тепловой энергии используют морскую воду по причине ее превосходных температурных характеристик. В частности, многолетние исследования показали, что температура морской воды, находящейся на глубине в пределах 25-50 метров является постоянной и составляет порядка 5-8 градусов Цельсия. В результате такая температура не способствует образованию ледового покрова.
В таком случае особенно важно применение теплообменников и насосных устройств, стойких к коррозионному воздействию. Также водозаборный провод, теплообменники и испарители должны быть ограждены от предотвращения накопления органических образований.
Грунтовые воды обладают относительно высокой и стабильной температурой на протяжении 12 месяцев. Ограничения здесь связаны лишь с расстоянием транспортировки и изменчивым объемом фактических ресурсов.
В качестве мест с тепловыми источниками при проектировании таких систем можно рассматривать канализационные участки, водостоки промышленного назначения, водостоки всевозможных энергетических установок и т.д.
Грунт
Жилые и торгово-административные здания могут обслуживаться тепловыми насосами, которые извлекают тепловую энергию из грунта. Аналогично грунтовым водам грунт обладает одним преимуществом – относительно стабильной среднегодовой температурой. Грунтовую тепловую энергию получает теплоноситель, циркулирующий в системе трубопроводов, уложенной в поверхностном слое земли с горизонтальным или вертикальным (подобно спирали) расположением.
На тепловую емкость грунта влияет его влажность и общие климатические условия, характерные для определенной территории.
На основе материалов из журнала "АВОК"