|
Тепловые насосы
Холодильник наоборот
Тепловой насос — устройство для
переноса тепловой энергии от объектов с температурой на 20-40
градусов меньшей — к несколько более нагретым, фактически — это
компрессорный холодильник, включенный «наоборот».
История идеи
Идея теплового насоса высказана полтора века назад британским
физиком Уильямом Томсоном. Это придуманное им устройство он
назвал «умножителем тепла».
Тепловой насос — это «холодильник наоборот». Парадоксальная, на
первый взгляд, связь между «производством тепла» и холодильной
машиной состоит в том, что принцип работы тепловых насосов и
обычных холодильников одинаков и основан на двух хорошо знакомых
всем физических явлениях.
Первое: когда вещество испаряется, оно поглощает тепло, а когда
конденсируется, отдает его. Этой закономерностью объясняется
эффект охлаждения жидкости в бутылке, обернутой мокрой тряпкой
(испаряющаяся вода отбирает I часть тепла), а также более
высокая поражающая способность ожога паром (температура кипящей
жидкости и насыщенного пара одинакова, но энергия пара больше,
поэтому такой ожог опаснее).
Второе: когда давление меняется, меняется температура испарения
и конденсации вещества — чем выше давление, тем выше
температура, и наоборот. По этой причине в кастрюле-"скороварке"
пища готовится быстрее, чем обычно (давление в ней повышается, а
вслед за этим повышается и температура кипящей воды). Зато в
горах, где атмосферное давление ниже, чтобы сварить пищу,
требуется больше времени (на высоте 3000 м вода кипит при 90"С,
и сварить в этом кипятке, например, куриное яйцо вкрутую вообще
невозможно, так как белок при температуре ниже 100 °C не
сворачивается).
Тепловой насос — это в некотором смысле «холодильник наоборот».
В обоих устройствах основными элементами являются испаритель,
компрессор, конденсатор и дроссель (регулятор потока),
соединенные трубопроводом, в котором циркулирует хладагент —
вещество, способное кипеть при низкой температуре и меняющее
свое агрегатное состояние с газового в одной части цикла на
жидкое — в другой. Просто в холодильнике главная партия
отводится испарителю и отбору тепла, а в тепловом насосе —
конденсатору и передаче тепла.
Функция бытового холодильника сводится к охлаждению продуктов, и
его сердцем является теплоизолированная камера, откуда тепло
«откачивается» (отбирается кипящим в теплообменнике-испарителе
хладагентом) и через теплообменник-конденсатор «выбрасывается» в
помещение (задняя стенка холодильника довольно теплая на ощупь).
В тепловом насосе главным становится теплообменник, с которого
тепло «снимается» и используется для обогрева дома, а
второстепенная «морозилка» размещается за пределами здания.
Принцип работы
Схематично тепловой насос можно представить в виде системы из
трех замкнутых контуров: в первом, внешнем, циркулирует
теплоотдатчик (теплоноситель, собирающий теплоту окружающей
среды), во втором — хладагент (вещество, которое испаряется,
отбирая теплоту теплоотдатчика, и конденсируется, отдавая
теплоту теплоприемнику), в третьем — теплоприемник (вода в
системах отопления и горячего водоснабжения здания).
Внешний контур (коллектор) представляет собой уложенный в землю
или в воду (напр. полиэтиленовый) трубопровод, в котором
циркулирует незамерзающая жидкость — антифриз. Источником
низкопотенциального тепла может служить грунт, скальная порода,
озеро, река, море и даже выход теплого воздуха из системы
вентиляции какого-либо промышленного предприятия.
Во второй контур, где циркулирует хладагент, как и в бытовом
холодильнике, встроены теплообменники — испаритель и
конденсатор, а также устройства, которые меняют давление
хладагента — распыляющий его в жидкой фазе дроссель (узкое
калиброванное отверстие) и сжимающий его уже в газообразном
состоянии компрессор.
Рабочий цикл выглядит так. Жидкий хладагент продавливается через
дроссель, его давление падает, и он поступает в испаритель, где
вскипает, отбирая теплоту, поставляемую коллектором из
окружающей среды. Далее газ, в который превратился хладагент,
всасывается в компрессор, сжимается и, нагретый, выталкивается в
конденсатор. Конденсатор является теплоотдающим узлом
теплонасоса: здесь теплота принимается водой в системе
отопительного контура. При этом газ охлаждается и
конденсируется, чтобы вновь подвергнуться разряжению в
расширительном вентиле и вернуться в испаритель. После этого
рабочий цикл начинается сначала.
Чтобы компрессор работал (поддерживал высокое давление и
циркуляцию), его надо подключить к электричеству. Но на каждый
затраченный киловатт-час электроэнергии тепловой насос
вырабатывает 2,5-5 киловатт-часов тепловой энергии. Соотношение
вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической
называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом
преобразования теплоты) и служит показателем эффективности
теплового насоса. Эта величина зависит от разности уровня
температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем
меньше эта величина.
По этой причине тепловой насос должен использовать по
возможности большее количество источника низкопотенциального
тепла, не стремясь добиться его сильного охлаждения. В самом
деле, при этом растет эффективность теплового насоса, поскольку
при слабом охлаждении источника тепла не происходит
значительного роста разницы температур. По этой причине тепловые
насосы делают так, чтобы масса низкотемпературного источника
тепла была значительно большей, чем нагреваемая масса. В этом
состоит одно из важнейших отличий теплового насоса от
традиционных (топливных) источников тепла, в которых
вырабатываемая энергия зависит исключительно от теплотворной
способности топлива. По этой причине тепловой насос в каком-то
смысле "привязан" к источнику низкопотенциального тепла,
имеющего большую массу. Эта проблема может быть решена введением
в тепловой насос системы массопереноса, например, системы
прокачки воды. Так устроена система центрального отопления
Стокгольма.
Источники энергии
По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы
делят на шесть типов: «грунт—вода», «вода—вода», «воздух—вода»,
«грунт—воздух», «вода—воздух», «воздух—воздух».
При использовании в качестве источника тепла энергии грунта
трубопровод, в котором циркулирует антифриз, зарывают в землю на
глубину 1 м. Минимальное расстояние между трубами
коллектора-0,8-1 м.
Специальной подготовки почвы не требуется. Но желательно
использовать участок с влажным грунтом, если же он сухой, контур
надо сделать длиннее. Ориентировочное значение тепловой
мощности, приходящейся на 1 м трубопровода, 20-30 Вт. Таким
образом, для установки теплового насоса производительностью 10
кВт необходим земляной контур длиной 350—450 м, для укладки
которого потребуется участок земли площадью около 400 м2 (20х20
м). При правильном расчете контур не влияет на зеленые
насаждения.
Если свободного участка для прокладки коллектора нет или в
качестве источника тепла используется скалистая порода,
трубопровод опускается в скважину. Не обязательно использовать
одну глубокую скважину, можно пробурить несколько неглубоких,
более дешевых, чтобы получить общую расчетную глубину. Иногда в
качестве скважин используют фундаментные сваи.
Ориентировочно на 1 пог. м скважины приходится 50-60 Вт тепловой
энергии. Таким образом, для установки теплового насоса
производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной 170 м.
Существенно снизить необходимую глубину скважины и увеличить
отбор тепловой энергии до 700 Вт на на 1 пог. м скважины
позволяет применение активного контура "Fill well" первичного
преобразователя теплового насоса (необходимым условием является
наличие обводненого горизонта вскрываемого скважиной) [1].
Среди тепловых насосов, использующих тепло поверхностного слоя
земли, выделяется система EarthLinked® с подземным медным
теплообменником DIRECT AXXESS® .
Хладагент подается непосредственно к источнику земного типа, что
обеспечивает высокую эффективность геотермальной отопительной
системы. Испаритель устанавливают в грунт горизонтально ниже
глубины промерзания или в скважины диаметром 40-60 мм
пробуренные вертикально либо под уклоном до глубины 15-30 м.
Благодаря такому инженерному решению устройство теплообменного
контура производиться на площади всего несколько квадратных
метров, не требует установки промежуточного теплообменника и
дополнительных затрат на работу циркуляционного насоса.
При использовании в качестве источника тепла близлежащего
водоема контур укладывается на дно. Этот вариант принято считать
идеальным: не слишком длинный внешний контур, «высокая»
температура окружающей среды (температура воды в водоеме зимой
всегда положительная), высокий коэффициент преобразования
энергии тепловым насосом.
Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода —
30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса
производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур
длиной 300 м. Чтобы трубопровод не всплывал, на 1 пог. м
устанавливается около 5 кг груза.
Для получения тепла из теплого воздуха (например, из вытяжки
системы вентиляции) используется специальная модель теплового
насоса с воздушным теплообменником. Тепло из воздуха для системы
отопления и горячего водоснабжения также можно собирать на
производственных предприятиях.
Если тепла из внешнего контура все же недостаточно для отопления
в сильные морозы, практикуется эксплуатация насоса в паре с
дополнительным генератором тепла (в таких случаях говорят об
использовании би валентной схемы отопления). Когда уличная
температура опускается ниже расчетного уровня (температуры
бивалентности), в работу включается второй генератор тепла —
чаще всего небольшой электронагреватель.
Преимущества и недостатки
К преимуществам тепловых насосов в первую очередь следует
отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт·ч
тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2-0,35
кВт·ч электроэнергии. Кроме того, теплонасос не сжигает топлива
и не производит вредных выбросов в атмосферу. Он не требует
специальной вентиляции помещений и абсолютно безопасен. Все
системы функционируют с использованием замкнутых контуров и не
требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии,
необходимой для работы оборудования.
Еще одним преимуществом тепловых насосов является возможность
переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования
летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору
подключаются фэн-койлы.
Тепловой насос надежен, его работой управляет автоматика. В
процессе эксплуатации система не нуждается в специальном
обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и
описаны в инструкции.
Важной особенностью системы является ее сугубо индивидуальный
характер для каждого потребителя, который заключается в
оптимальном выборе стабильного источника низкопотенциальной
энергии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и
прочего.
Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает
обычный холодильник) и практически бесшумен.
Хотя идея, высказанная лордом Кельвином в 1852 году, была
реализована уже спустя четыре года, практическое применение
теплонасосы получили только в 30-х годах прошлого века. В
западных странах тепловые насосы применяются давно — и в быту, и
в промышленности. Сегодня в Японии, например, эксплуатируется
около 3 миллионов установок.
КПД тепловых насосов
Тепловой насос способен, используя высокопотенциальные источники
энергии, «накачать» в помещение от 200 % до 600 %[2]
низкопотенциальной тепловой энергии. В этом нет нарушения закона
сохранения энергии.
Поэтому применение тепловых насосов для обогрева помещений
гораздо эффективнее газовых котлов. Современные газотурбинные
установки на электростанциях имеют КПД, существенно превышающий
КПД газовых котлов. В результате при переходе электроэнергетики
на современное оборудование и при применении тепловых насосов
можно получить экономию газа до 10 раз в сравнении с газовыми
котлами.
Перспективы
Широкому распространению теплонасосов мешает недостаточная
информированность населения. Потенциальных покупателей пугают
довольно высокие первоначальные затраты: стоимость насоса и
монтажа системы составляет $300-1200 на 1 кВт необходимой
мощности отопления. Но грамотный расчет убедительно доказывает
экономическую целесообразность применения этих установок:
капиталовложения окупаются, по ориентировочным подсчетам, за 4-9
лет, а служат теплонасосы по 15-20 лет до капремонта.
Еще более многообещающей является система, комбинирующая в
единую систему теплоснабжения геотермальный источник и тепловой
насос. При этом геотермальный источник может быть как
естественного (выход геотермальных вод), так и искусственного
(скважина с закачкой холодной воды в глубокий слой и выходом на
поверхность нагретой воды) происхождения.
Другим возможным применением теплового насоса может стать его
комбинирование с существующими системами централизованного
теплоснабжения. К потребителю в этом случае может подаваться
относительно холодная вода, тепло которой преобразуется тепловым
насосом в тепло с потенциалом, достаточным для отопления. Но при
этом вследствие меньшей температуры теплоносителя потери на пути
к потребителю (пропорциональные разности температуры
теплоносителя и окружающей среды) могут быть значительно
уменьшены. Также будет уменьшен износ труб центрального
отопления, поскольку холодная вода обладает меньшей коррозионной
активностью, чем горячая.
Ограничения применимости тепловых насосов
При слишком большой разнице между температурой на улице и в
доме, тепловой насос теряет эффективность (предел применимости в
системах отопления домов за счёт откачки тепла от наружного
воздуха - около -15-20°С). Для решения этой проблемы применяются
системы откачки тепла из грунта либо грунтовых вод. Для этого в
грунте ниже точки промерзания укладываются трубы, в которых
циркулирует теплоноситель, либо (в случае обильных грунтовых
вод) через теплонасосное оборудование прокачиваются грунтовые
воды.
|
