Характеристика теплових насосів

Одним з ефективних енергозберігаючих способів, що дають можливість економити органічне паливо, знижувати забруднення навколишнього середовища, задовольняти потреби споживачів у технологічному теплі, є застосування теплонасосних технологій виробництва теплоти.

Тепловий насос – термодинамічна установка, в якій теплота від низько потенційного джерела передається споживачеві при більш високій температурі. При цьому витрачається механічна енергія.

Велику перспективу представляє використання теплових насосів в системах гарячого водопостачання (ГВП) будівель.

Основу експлуатованого сьогодні у світі парку теплонасосного обладнання складають парокомпресорні теплові насоси, але застосовуються також і абсорбційні, електрохімічні та термоелектричні. Ефективність теплових насосів прийнято характеризувати величиною безрозмірного коефіцієнта трансформації енергії[1].

Коефіцієнт трансформації теплового насоса, або теплонасосної системи теплопостачання (ТСТ) Ктр являє собою відношення корисного тепла, що відводиться в систему теплопостачання споживачеві, до енергії, що витрачається на роботу теплонасосної системи теплопостачання, і чисельно дорівнює кількості корисного тепла, одержуваного при температурах Тоut і Тin, на одиницю енергії, витраченої на привід ТН або ТСТ. Реальний коефіцієнт трансформації відрізняється від ідеального, на величину коефіцієнта год, що враховує ступінь термодинамічної досконалості ГТСТ і незворотні втрати енергії при реалізації циклу. В наведені залежності реального та ідеального коефіцієнтів трансформації (К тр) теплонасосної системи теплопостачання від температури джерела тепла низького потенціалу Тin і температурного потенціалу тепла, що відводиться в систему опалення Тоut. При побудові залежностей, ступінь термодинамічної досконалості ТСТ ч була прийнята рівною 0,55, а температурний напір (різниця температур хладону і теплоносія) у конденсаторі і в випарнику теплових насосів дорівнював 7 ° C. Ці значення ступеня термодинамічної досконалості год і температурного напору між хладоном і теплоносіями системи опалення та теплосбора представляються близькими до дійсності з точки зору обліку реальних параметрів теплообмінної апаратури (конденсатор і випарник) теплових насосів, а також супутніх витрат електричної енергії на привід циркуляційних насосів, систем автоматизації, запірної і керуючої арматури[2]. У загальному випадку ступінь термодинамічної досконалості теплонасосних систем теплопостачання  залежить від багатьох параметрів, таких, як: потужність компресора, якість виробництва комплектуючих теплового насоса і необоротних енергетичних втрат, які, в свою чергу, включають:

– втрати теплової енергії в сполучних трубопроводах;

– втрати на подолання тертя в компресорі;

– втрати, пов’язані з неідеальної теплових процесів, що протікають в випарнику і конденсаторі, а також з неідеальністю теплофізичних характеристик хладонов;

– механічні та електричні втрати в двигунах та інше.

Як і холодильна машина, тепловий насос споживає енергію на реалізацію термодинамічного циклу (привід компресора). Коефіцієнт перетворення теплового насоса – відношення теплопродуктивності до електроспоживанню – залежить від рівня температур у випарнику і конденсаторі. Температурний рівень теплопостачання від теплових насосів в даний час може варіюватися від 35°C до 62°C. Що дозволяє використовувати практично будь-яку систему опалення. Економія енергетичних ресурсів досягає 70 %. Промисловість технічно розвинених країн випускає широкий асортимент парокомпресійних теплових насосів тепловою потужністю від 5 до 1000 кВт.

Різновиди теплових насосів

1. Тепловий насос прямого геообміну.

Тепловий насос прямого геообміну називається так, тому що процес випаровування фреону відбувається безпосередньо в землі.

У зрошувальних теплових насосах тепло землі відбирається земальним колектором і транспортується в тепловий насос. У розсільному тепловому насосі є теплообмінник розсіл – фреон,в якому і відбувається передача тепла від землі до фреону і, в результаті, випаровування самого фреону[4].

Тобто традиційний тепловий насос складається з трьох контурів:

• первинний (передача тепла від розсолу фреону).
• холодильний (процес випаровування-стиснення – конденсації фреону).
• вторинний (передача тепла від фреону системі опалення).

У тепловому насосі прямого випаровування є тільки два контури

• первинний, він же холодильний (випаровування фреону в землі і стиснення його компресором).
• вторинний (передача тепла від фреону в систему опалення)

Конструктивно це реалізовано наступним способом: з компресора теплового насоса виходить дві мідні трубки (лінії всмоктування), за якими фреон в газоподібному стані під низьким тиском проходить із землі до компресора. Ці трубки ведуть до колектора або гребінці випарника. Іпарітелем є мідні або алюмінієві труби, укладені на глибині 2 метри. Кількість контурів залежить від теплової потужності теплового насоса.

2. Геотермальні теплові насоси грунт-вода.

Тепловий насос типу розсолу витягує тепло з грунту за допомогою пластикових труб (т.зв. геотермальний зонд або грунтовий колектор), заповнених екологічно чистим антифризом.

Є два основних способи монтажу первинного контуру:

• Горизонтальний.
• Вертикальний.

При горизонтальному монтажі потрібну кількість труб (один метр труби здатний відбирати в середньому 20 Вт тепла) укладається на глибину 1,5-2 метра. При вертикальному монтажі зонди опускаються в пробурені свердловини потрібної глибини (1 метр вертикального зонда відбирає в середньому 50 Вт тепла)[5].

Переваги горизонтального монтажу – мінімальні початкові витрати. Недоліки – потрібна вільна від забудови територія.

Перевага вертикального укладання зондів – більш стабільний СОР, мінімум місця для буріння. Мінус – відносна дорожнеча бурильних робіт.

3. Теплові насоси вода-вода використовують як джерело тепла підземні води. Такі системи є найбільш раціональними в нашому регіоні. Адже на території України дуже багато підземних джерел води, зокрема весь Київ «стоїть» на воді.

Теплові насоси вода-вода мають найвищі показники СОР (до 7,2), адже температура підземних вод незмінна і тримається на рівні 10-12 ° С. Для реалізації системи потрібна подає і дренажна свердловина. Наша компанія надає послуги з буріння свердловин для подачі води і дренажу нашим клієнтам.

Крім самого високого і стабільного показника СОР, система вода-вода має ще один величезний плюс: початкові витрати на цю систему в кілька разів менші системи грунт-вода. Це дозволяє знизити витрати на зовнішній контур до мінімуму[6].

4. Тепловий насос грунт-вода з горизонтальним теплообмінником

В поверхневому шарі землі накопичується тепло протягом теплого періоду року (весна, літо, осінь). Використання цієї енергії для опалення є доцільним для різних типів будівель. Найбільша кількість енергії забирається з поверхневого шару землі, який має великий вміст вологи.

Тепло з поверхневого шару землі відбирається за допомогою пластикової труби. Екологічно чиста, морозостійка рідина циркулює в трубній системі та переносить тепло до теплового насоса. Дане джерело низькопотенційного тепла потребує значно більших площ, ніж вертикальний колектор, але зменшуються капітальні затрати на облаштування системи.

5. Тепловий насос вода-вода.

Сонце нагріває воду в морях, озерах та інших водних джерелах. Сонячна енергія накопичується в воді та глибинних шарах. Рідко температура води знижується нижче +4°С. Чим ближче до поверхні, тим більше змінюється температура протягом року, а на глибині вона відносно стабільна. Труба для передачі тепла вкладається на дні чи в ґрунті дна, де температура дещо вища, ніж температура води. Важливо, щоб труба укладалася з вантажем для попередження підняття труби на поверхню. Чим нижче вона залягає, тим менший ризик пошкодження. Водяне джерело, як джерело низькопотенційного тепла для теплонасосної системи дуже ефективне для різних типів будинків.

Є варіант монтажу водяного теплонасоса без використання класичних водяних та грунтових колекторів. Можлива організація забору води зі свердловини чи водойми з її подальшим скидом, після проходження теплообмінника теплового насоса, через відвідний канал назад в водойму чи іншу свердловину.

Самі теплонасоси майже не відрізняються від тих, які працюють з «розсолом». Але завдяки вищій температурі теплоносія взимку річна ефективність їх використання виявляється найвищою. Шкода, що теплонасосні технології вода-водапридатні переважно для промислового використання. Дуже рідко виникають відповідні умови для приватної особи. Але якщо поруч тече незамерзаюча річка, ви можете укласти петлю труби з антифризом на дно (притопивши вантажами) та обігріватися практично за дарма. Звичайно, якщо водозахисна служба дасть дозвіл на такі роботи.

Зі свердловиною складніше. Воду з неї (з розрахунку близько 0,25 м3/год на 1 кВт теплової потужності) свердловинним насосом подають прямо у випарник, а зливають у другу свердловину, віддалену від першої вниз за течією води в підземному шарі на 15-20 м. При цьому водоносний шар повинен прийняти і відвести воду, що злиться, інакше маленька повінь вам забезпечена. Ясно, що такі пласти на малій глибині зустрічаються не скрізь, а для артезіанських свердловин отримати дозвіл у нас непросто. І ще потрібно захистити випарник теплонасоса вода-вода від забруднення та корозії. Фільтрування та аналіз води обов’язкові. Якщо в ній надто багато солей, доведеться улаштувати проміжний теплообмінник, між ним і тепловим насосом циркулюватиме деаерована чиста вода чи антифриз, це залежить від системи.

6. Тепловий насос повітря-вода

Тепловий насос повітря-вода дешевший, і труб (з незмінними земляними роботами) не вимагається.

Недолік в теплонасосі повітря-вода один: з морозного повітря багато тепла не відбереш. Стабільно, хоча і із зменшеною потужністю, дані енергозберігаючі технології працюють до мінус 20-25 °С, а потім потрібно вмикати інший теплогенератор.

Коли йдеться про вибір повітряних теплових насосів, корисно враховувати дві важливі обставини, зазвичай замовчуваних в статтях. По-перше, значення номінальної потужності, що приводиться в паспорті, відноситься до певної температури навколишнього повітря. Це може бути і 0, і 2, і 10, і навіть 25°С[8]. Значить, по ефективності кожен тепловий насос повітря-вода потрібно порівнювати при однаковій температурі зовнішнього повітря. По-друге, з посиленням холодів повітряний теплонасос розвиває помітно меншу (інколи вдвічі) потужність, тому додатковий обігрівач потрібний обов’язково, якщо теплонасосна система опалення не розрахована з запасом.

Конструктивно повітряні теплонасоси виконуються за двома компонувальними схемами: спліт та моно. У першому випадку тепловий насос складається з двох блоків, сполучених комунікаціями. Один, зовнішній, включає потужний вентилятор та випарник (монтується на ділянці недалеко від будинку). Другий, внутрішній, містить конденсатор та автоматику, і встановлюється в приміщенні. Компресор може розташовуватися або зовні, щоб не шумів, або в будинку.

У моноблочних повітряних теплонасосних системах всі елементи збираються в загальному корпусі та монтуються в будинку, а з вулицею з’єднуються гнучким повітропроводом. Існують моноблоки, що допускають як зовнішній, так і внутрішній монтаж.

Останніми роками, у зв’язку з погіршенням вентиляції житла завдяки широкому вживанню нових герметичних вікон із склопакетами, повітряні теплові насоси отримали додатковий розвиток. Окрім опалення та підготовки гарячої води, деякі моделі теплонасосів «навчилися» не лише працювати в системах вентиляції, але й використовувати тепло відпрацьованого повітря приміщень.

Також теплонасосна система повітря-вода може використовувати теплові скиди самого приміщення для опалення та гарячого водопостачання: скидну воду, а також вентиляційні викиди та димові гази. В останньому випадку витяжна система повинна бути обладнана діючим вентиляційним агрегатом. Дана комбінація покращує вентиляцію будинку та зменшує проблеми з цвіллю, сирістю, радоновою загазованістю.

Сфери використання енергії яку акумулює пристрій.

Особливості використання енергії (тепло або холод) яку акумулює пристрій ми представимо у наступному вигляді:

• Джерела енергії отримання тепла.
• Огляд недоліків та переваг теплових насосів.
• Тепловий насос зонд енергія.

Переваги:

• економія до ѕ від всіх витрат у порівнянні з звичайними технологіями опалення та кондиціонування.
• повна відсутність викидів CO2.
• немає потреби в площах для зберігання палива.
• низькі експлуатаційні витрати.
• розумні інвенстиційні витрати.
• відсутність витрат на паливо і золовидалення.
• немає необхідності в обслуговуванні газового котла та контролі якості палива.
• немає потреби в сховищах для палива (деревина,вугілля).
• не потрібен фільтр для відпрацьованого палива.
• відсутність шкідливих викидів в процесі експлуатації.
• відсутні забруднення мікрочастинками відпрацьованого палива.
• не використовується фреон і вогнетривкий холодоагент.
• відсутність неприємних запахів.
• здоровий мікроклімат приміщення, який оцінять жителі, гості та коллеги.
• найнижчі, в порівнянні з іншими альтернативними джерелами тепла, капітальні витрати.
• можливість використання для охолодження повітря в теплий період року.
• простота в експлуатації.
• можливість встановлення в «звичайну» систему повітряного опалення.
• спрощення у вимогах до систем вентиляції приміщень.

Серед недоліків теплових насосів, які використовуються для опалення приміщень, можна віднести їх велику вартість, однак вкладені в установку цього обладнання кошти окупляться протягом 4-6 років.

Висновок

Установка теплового насоса  хоч і вимагає інвестицій, зате гарантує безпеку для навколишнього середовища, а також забезпечує економію та автономність. Тим більше, зараз існують програми компенсації витрат з модернізації систем опалення, а також пільгові тарифи для споживачів виключно електричного опалення.

Наша продукція Теплові насоси повітря-вода Gulfstream HP