Особенности использования тепловых насосов для отопления

А. Никишов

Тепловые насосы прочно закрепились на теплотехническом рынке развитых стран, которыми уже накоплен определенный опыт их эксплуатации. Попробуем охватить основные моменты в данном материале

Освоение технологии использования тепловых насосов (ТН) началось с первой трети XIX века, когда в результате исследований физических свойств различных веществ была выявлена очевидная взаимозависимость между давлением, объемом и температурой газообразных веществ. Родоначальниками считаются Джоуль и Томсон (впоследствии лорд Кельвин), которые доказали, что воздух, сжатый до 200 атм с температурой 17˚С при расширении охлаждается на 35 градусов. Этот эффект, названный в честь его первооткрывателей, стал краеугольным камнем в процессе получения низких температур. Именно он обеспечивает работу нынешних холодильных систем, установок для сжижения газов и тепловых насосов (рис. 1).

Рис. 1. Тепловой насос с аккумулирующей емкостью в интерьере дома

Главный принцип – передача тепла

Говоря научным языком, тепловой насос является термодинамической установкой, позволяющей передавать тепло от низкотемпературного источника к потребителю при более высокой температуре, использующей при этом механическую энергию. Такие установки имеют огромную перспективу для использования их в системах низкотемпературного отопления и горячего водоснабжения.

Тепловой насос в своей работе использует свойства фазового перехода 1-го прядка (ФП1) – из жидкого состояния теплоносителя в газообразное и наоборот. При этом, в зависимости от направления, происходит поглощение или выделение тепла, а также увеличение или уменьшение давления в рабочем контуре ТН. Непрерывный цикл двух ФП1 с противоположными направлениями требует использования в конструкции теплового насоса четырех узлов – компрессора, испарителя, конденсатора и регулирующего клапана, которые связываются замкнутым трубопроводом с циркулирующим по нему теплоносителем.

Источники первичной энергии

Тепловые насоы позволяют использовать как естественные низкотемпературные источники, так и искусственные. К первым относятся: тепло земли (грунта) и подземных вод (грунтовых, подземных, геотермальных), а также окружающий воздух. Искусственными источниками такого тепла могут стать: воздух, удаляемый в процессе вентиляции, сточные воды, промышленные и технологические сбросы, тепло от технологических процессов и бытовые тепловыделения.

Тепловые, энергетические и экономические характеристики ТН неразрывно связаны с характеристиками низкотемпературных источников. Идеальный источник тепла должен давать неизменно высокую температуру в течение всего отопительного периода, быть не коррозийным и не загрязняющим, иметь оптимально позитивные теплофизические характеристики, не требовать существенных вложений и расходов по обслуживанию. В большинстве случаев низкотемпературный источник тепла является основным фактором, определяющим эксплуатационные характеристики теплового насоса.

Классификация теплового насоа

По оперативным функциям ТН можно разделить на две категории:

• используемые только с определенной целью получения тепла или ГВС;
• многоцелевые системы на их основе для одновременного выполнения нескольких функций (отопление помещений, охлаждение, утилизация отводимого воздуха, получение горячей воды и т. д.).

По использованию первичного источника низкотемпературной энергии теплового насоса подразделяются на следующие типы: грунт – вода; вода – вода; воздух – вода. Теперь коротко о каждом.

Рис. 2. Теплонасос типа «грунт–вода»

Тепловой насос «грунт–вода» используют в системах, задачей которых является получение тепла в зимний период и кондиционирования в летний, и применяются для обслуживания жилых и производственных помещений. Грунт имеет постоянную – относительно – температуру в течение всего года. Тепло отбирается трубными регистрами, уложенными горизонтально (рис. 2), или зондами, размещенными в вертикальных (наклонных) шахтах. В зонах, где основу грунта составляют скальные породы, с целью использования повышенной тепловой мощности скважины бурятся под углом на глубину до 200 м и в первичном контуре используется пластиковый трубопровод с рассолом в качестве теплоносителя. Примером такой системы может служить установка геотермального теплового насоса в Финляндии при реконструкции системы отопления на заводе Orfer OY, находящегося в г. Ориматилла. С целью снизить затраты на отопление производственных помещений руководством предприятия было принято решение реконструировать систему отопления и использовать для этой цели систему с ТН, в качестве которого был выбран Geopro RE-85 производства Oilon.

В результате, по итогам следующего отопительного сезона было получено экономии в 17,4 тыс. евро – в сравнении с предыдущим сезоном, когда полностью для отопления использовалось дизельное топливо. Сроки окупаемости реконструкции получились равными 4 годам.

К сожалению, в силу высокой стоимости буровых работ скальные породы для обслуживания жилого сектора используются довольно редко.

Рис. 3. Использование тепла подземных вод

Тепловой насос «вода – вода» (рис. 3) является наиболее приемлемым решением для использования тепла от сбросных (циркуляционных) вод промышленных предприятий, горячих источников или подземных озер с их стабильной среднегодовой температурой в диапазоне от 4 до 10˚С.

Можно использовать и открытые водные системы – реки и озера, но здесь важную роль начинает играть температура воды в зимний период. Вода низких температур может привести к обмерзанию испарителя.

Использование морской воды, которая на глубине до 50 м имеет стабильную температуру от 5 до 8˚С, выглядит более приемлемым, но возникают проблемы с организацией антикоррозийных мер, что также создает дополнительные проблемы.

Имеющие высокую и стабильную температуру грунтовые воды могут стать хорошим источником тепла, зависящим лишь от дальности, на которую требуется переместить тепло от источника, и фактического объема этих вод, который может периодически меняться.

Теловой насос «воздух – вода» (рис. 4) считаются самым предпочитаемым источником первичного тепла из-залегкодоступности и дешевизны. Но по сравнению с оборудованием типа «вода – вода» отличаются по фактору сезонной нагрузки почти на 30% из-за:

• быстрого снижения мощности и производительности в связи с падением наружной температуры;
• сравнительно большой разницы температур конденсации и испарения в период минимальных зимних температур;
• дополнительным энергопотреблением для вентиляторов, осуществляющих разморозку испарителя.

Рис. 4. Блок теплового насоса «воздух-вода» Logatherm WPL...AR (Buderus)

Отводимый вентиляционный воздух может стать неплохим источником тепла для ТН этого типа, но требует при этом постоянной принудительной вентиляции. Такой тип ТН обычно применяется совместно с рекуператорами «воздух – воздух».Конструктивная особенность теплового насоса «воздух – воздух» несколько несовершенна из-за низкого значения коэффициентов теплоотдачи самого воздуха, вследствие чего требует снижения температуры кипения хладагента для уменьшения поверхности испарителя.

Производители оборудования

На нынешнем рынке оборудования для теплоснабжения и ГВС тепловые насосы представлены широчайшим спектром, который позволит удовлетворить любой вкус и любые требования потребителя. В рамках данной статьи стоит отметить такие фирмы, как отечественные Aik, VDE, «Прогресс» и «Тага», германские Waterkotte, Viessmann, Vaillant (рис. 5), Stiebel Eltron, Rehau, Dimplex, Bosch и Buderus, шведские СТС, IVT Industrier AB и Nibe. Полностью предоставить все данные о странах-производителях и фирмах, представленных на рынке ТН, в этом материале не представляется возможным.

Рис. 5. Тепловой насос geoTHERM VWS (Vaillant)

Примеры расчета

Если потребитель остановил свой выбор на геотермальном ТН с горизонтально расположенным коллектором, следует обратить внимание на то, что такой тип может быть исполнен с последовательным или параллельным соединением труб с укладкой их в один или несколько вертикальных рядов, петлями и спиралями (рис. 6).

Рис. 6. Укладка труб геотермального коллектора

Возможную теплоотдачу грунта при расчете нельзя принимать больше, чем 70 кВт·ч/м² в год – при желании получить больше тепла можно получить негативный эффект из-за перерасхода электроэнергии и возможного промерзания грунта.

Первичный контур с антифризом из пластиковых труб укладывается на глубину от полутора до двух метров. Значительно сэкономить на земляных работах можно в случае использования спиралевидной укладки первичного контура в траншеи глубиной до 4 м.

Ориентировочный удельный теплосъем для земляных контуров с учетом всех факторов, влияющих на его изменение, следует считать порядка 20 Вт/м. Хотя самый точный результат могут дать только специализированные организации.

Чтобы определить общее количество предполагаемого полученного тепла для такого типа коллекторов, нужно знать разницу температур на входе и выходе коллектора. Обычно она составляет 3˚С.

Расстояние между трубами в пакетах коллектора по горизонтали должно быть не меньше 70–80 см. Точно также определяется и диаметр спиралей.

Самым распространенным теплоносителем для грунтовых коллекторов является 25%-ный раствор этиленгликоля с теплоемкостью (при 0˚С) 3,7 кДж/(кг·K) и плотностью 1,03 г/см³. При этом следует учесть, что при использовании этиленгликоля давление в коллекторе будет меньше в 1,5–1,7 раза по сравнению с водой.

Необходимый объем антифриза (м³)рассчитывается по формуле:

V = Q_n×3600/1,03×3,7(T₁–T₂),

где T₁ и T₂ – температуры на входе и выходе коллектора; Q_n – предполагаемая тепловая мощность, которая является разницей между полной мощностью теплового насоса (Q_tn) и затраченной на сжатие и нагрев хладагента электрической (Q_e) – Q_n = Q_tn – Q_e, кВт. Длина труб для коллектора L и площадь участка S под него рассчитываются по формулам:

L = Q_n/q, м,

S = L×d, м².

В этих формулах q – удельный теплосъем, а d – шаг укладки трубы.

Мощность теплового насоса подбирается с учетом использования ГВС и предполагаемого режима работы – моно- или бивалентного, а также пиковых нагрузок, которые в средних широтах составляют не более 900 часов. То есть среднее теплопотребление необходимо увеличить на 15%. При отключениях электроэнергии необходимо дополнительное увеличение мощности ТН на коэффициент k = 24/(24 – tоткл), где tоткл – время (ч) перерыва в электроснабжении. Принимается в расчет, только если время отключения составляет не менее двух часов.

Дополнительное оборудование

Прежде всего, необходимо позаботиться о расширительном и накопительном баках.Первый ставится на «подаче», а второй – на «обратке». Расширительный бак с подпором 0,5 и максимальным избыточным давлением 2,5 бар и бак-аккумулятор позволят сократить частоту пуска-останова компрессора ТН, а, значит, продлить срок его службы. Объем бака-аккумулятора подбирается из расчета 20 л на 1 кВт мощности ТН.

В Украине, в большинстве регионов, тепловой насос желательно подбирать для работы в бивалентном режиме – тогда, когда дополнительный генератор тепла запускается только при температуре ниже -10˚С, что окажет серьезное влияние на стоимость и самого ТН, и работ по прокладке коллектора.

Вот ориентировочные цифры по тепловому насосу для отопления дома площадью 150 м², в котором проживает семья из пяти человек. Расчетная потребность на отопление с теплопотерями 90 Вт/м² при наружной температуре воздуха -25˚С составит 13,5 кВт. К этой цифре добавляется еще 1 кВт на ГВС. При временном отключении электроэнергии, равном 4 ч, необходимо полученную мощность умножить на 1,2 и, в конечном счете, получается 17,4 кВт.

Подбор и установка теплового насоса

Заниженная мощность ТН может привести к обмерзанию грунта вокруг коллектора.

При расчете теплопотерь их завышение влечет увеличение стоимости оборудования. Лучше вложить некоторую сумму в утепление зданий, нежели в переплату за дорогостоящее оборудование.

Тепловой насос оптимально работает в системах низкотемпературного отопления, поэтому оптимальным вариантом отопительного оборудования будут системы «теплый пол», «теплые стены», греющие панели и фэнкойлы.

Дополнительную мощность на ГВС необходимо рассчитывать, исходя из дополнительных 0,2–0,25 кВт на одного человека.

Использование компьютерных программ для расчета и подбора теплового насоса ни в коем случае не заменят оценку экспертов, потому что многие факторы определяются интуитивно и зависят от личного опыта проектировщика.

Неправильные расчеты по внешнему коллектору, излишняя скупость, может привести к занижению мощности системы и чревато необходимостью остановки ТН в период максимальных холодов.

Использование аварийно-резервных источников для покрытия пиковых нагрузок – одно из основных требований для снижения первоначальной стоимости системы отопления и ГВС.

Недостатки и преимущества

Теловой насос является наиболее привлекательным решением для низкотемпературных систем автономного отопления по следующим причинам:

• низкие расходы на эксплуатацию – электроэнергия необходима только для компрессора (при моновалентной системе);
• простота в обслуживании (нет топлива, значит, нет и отходов);
• экологичны и пожаробезопасны;
• оборудование легко монтируется в любом месте;
• многофункциональность – зимой греют, летом охлаждают;
• большой ресурс работоспособности – до 30 – 50 лет.

Наряду с преимуществами всегда есть и недостатки:

• дороговизна оборудования;
• зависимость от электроэнергии – желателен дополнительный источник;
• при использовании в качестве источника тепла грунтовых вод необходимы специальные разрешения на строительство.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok.  Долучайтесь!

Переглянуто: 11 011