Акватерм Баку 2019

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).

Изображение теплового насоса для отопления в интерьере

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.

Изображение геотермальный тепловой насос

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.

Изображение отопление тепловым насосом вода вода

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.

Изображение воздушный тепловой насос для отопления и охлаждения

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.

Изображение работа теплового насоса

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).

Изображение грунтового коллектора теплового насоса

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 = Qn×3600/1,03×3,7(T1–T2),

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

L = Qn/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.

Читайте статьи и новости в Telegram-канале AW-Therm. Подписывайтесь на YouTube-канал.

Просмотрено: 6 671


Оставьте комментарий

Telegram