Тепловой насос

1. CoolReferat.com
2. Тепловые насосы

Тепловые насосы известны давно  и считаются изделием эффективным, надежным, срок службы которого никак  не меньше, а иногда и больше, чем  у другого вентиляционно-отопительного оборудования . Их уже всерьез рассматривают в качестве следующего шага на пути развития отопления, все более ориентирующегося на требования окружающей среды. Несмотря на то что в Европе они достаточно широко применяются, остаются еще широкие возможности для их распространения как в новом строительстве, так и в реконструируемом жилом фонде на смену традиционным отопительным котлам. В данной статье мы хотели бы рассмотреть  подробнее, что же такое тепловой насос, каковы его потребительские свойства, сферы применения и возможные перспективы роста спроса.

До сегодняшнего дня тепловой насос представлялся главным образом как агрегат или некая система, предназначенная в первую очередь для кондиционирования воздуха, способная также обеспечить определенную отопительную мощность, в большей или меньшей степени удовлетворяющую потребности в тепле в зимний период. На самом деле характеристики этого оборудования стремительно меняются, и уже во многих странах Европы тепловой насос сменил, что называется, «ориентацию»: первым делом потребности в тепле, а охлаждение – потом. Больше того, зачастую тепловой насос уже используется только для отопления. 

 

Такая смена потребительской  ориентации обусловлена произошедшей за последние два десятилетия  трансформацией подходов западного  мира:

• озабоченностью качеством  воздуха, необходимостью решения проблемы парникового эффекта, создаваемого отопительными системами;

• поиском альтернативных экологических решений на смену  традиционному отоплению посредством  сжигания ископаемого топлива;

• повышением эффективности и надежности тепловых насосов вследствие эволюции рефрижераторных технологий, разработки новых спиральных (англ. – scroll) компрессоров и пр.;

• уменьшением вредного воздействия рефрижераторных систем на среду вследствие разработки новых  хладагентов HFC.

Первые два фактора в наибольшей степени способствовали росту внимания к использованию альтернативных источников энергии, в частности, солнечной. Однако, несмотря на многообещающие результаты, альтернативные источники энергии пока еще не вышли на уровень оптимального соответствия ожиданиям массового потребителя.

В этом смысле большие  надежды подают именно тепловые насосы, их распространение выражается уже  весьма внушительными цифрами. Достаточно сказать, что в Италии по данным на 1996 год общее число установленных  тепловых насосов составляло 800 000, главным образом – реверсивных сплит-кондиционеров.

Такое негласное приятие  тепловых насосов, не требующее масштабных кампаний по ознакомлению с системой широкой публики, полагаем, есть наилучшее  подтверждение того, что сама система вполне приемлема для потребителя и может получить дальнейшее распространение, включая такие применения, где до сих пор она вряд ли предполагалась.

 

1.2Категории, виды и функции тепловых насосов

Существуют самые разные варианты классификации тепловых насосов. Здесь мы ограничимся делением систем по их оперативным функциям на четыре основных категории:

• Тепловые насосы только для отопления, применяемые для  обеспечения комфортной температуры  в помещении и/или приготовления  горячей санитарной воды.

Существует обширное поле деятельности по замене котлов низкотемпературных отопительных систем на основе теплоизлучающих полов или стеновых панелей либо вентиляционно-конвекторными, либо тепловентиляционными установками. Перспективы замены чрезвычайно интересны, поскольку существующий административно-жилой фонд, как правило, испытывает определенные проблемы с дымоотводами и дымоходами и проблемы безопасности в целом.

Тепловой насос, который  в принципе не имеет таких проблем, представляется в этих случаях идеальным  вариантом замены.

• Тепловые насосы отопительные и холодильные, применяемые для  кондиционирования помещений в  течение всего года.

Наиболее распространенными  являются реверсивные аппараты класса «воздух-воздух». Тепловые насосы средней  и большой мощности для сооружений сферы обслуживания используют гидравлические контуры для распределения тепла и холода и при этом могут обеспечивать оба рабочих режима одновременно.

• Интегрированные системы  на основе тепловых насосов, обеспечивающие отопление помещений, охлаждение, приготовление горячей санитарной воды и иногда утилизацию отводимого воздуха.

Подогрев воды может  осуществляться либо отбором тепла  перегрева подаваемого газа с  компрессора, либо комбинацией отбора тепла перегрева и использования  регенерированного тепла конденсатора.

Использование только отбора тепла перегрева целесообразно, когда требуется только отопление  помещений.

Тепловые насосы, предназначенные  исключительно для приготовления  горячей санитарной воды, зачастую в качестве источника тепла используют воздух среды, но равным образом могут использовать и отводимый воздух.

Тепловые насосы бывают как моновалентные, так и бивалентные.

Различие между двумя  видами состоит в том, что моновалентные  насосы рассчитаны таким образом, чтобы  полностью покрывать годичную потребность в отоплении и охлаждении.

Напротив, бивалентные тепловые насосы рассчитаны, чтобы полностью покрыть  потребность в охлаждении и только в объеме от 20 до 60% тепловую нагрузку зимнего периода и от 50 до 95% сезонной отопительной потребности.

У бивалентных тепловых насосов пиковая нагрузка покрывается  за счет дополнительных источников отопления, чаще всего газовых или жидко-топливных  котлов.

В жилом фонде в  странах Южной Европы тепловые насосы зачастую относятся к классу реверсивные  «воздух-воздух» (главным образом, разводные либо моноблок, при этом и те, и другие с прямой подачей воздуха).

Справедливости ради надо сказать, что постепенно ширится  предложение тепловых насосов класса реверсивные «воздух-вода», чаще всего  поставляемых в комплекте с расширительным баком и насосным агрегатом.

По отдельному заказу поставляется накопительный резервуар. Такие насосы можно врезать непосредственно  в существующие водопроводные системы, обеспечивающие отопление посредством  теплых полов или стеновых панелей, взамен отопительных котлов.

В новостройках тепловые насосы класса «воздух-воздух» отлично  сочетаются с вентиляционно-конвекторными  системами при работе и в летний, и в зимний периоды.

В Германии и других странах  Северной Европы только для отопления  распространены тепловые насосы, которые используют тепло, содержащееся в грунте. Диапазон тепловой мощности разработанных моделей самый широкий – от 5 до 70 кВт. В торгово-административных зданиях системы на основе тепловых насосов могут быть с централизованным распределением воздуха либо с приготовлением горячей/холодной воды, распределяемой по одному или нескольким водопроводным контурам.

При наличии нескольких отдельных зон обслуживания для  обеспечения индивидуальной «участковой» климатизации в здании устанавливается соответствующее число тепловых насосов.

В зданиях средних и больших  размеров эффективной будет закрытая водяная кольцевая система, включающая столько реверсивных тепловых насосов, сколько имеется участков или  помещений для обслуживания.

У тепловых насосов нового поколения охлаждающая жидкость уже почти повсеместно заменяется на R 407C. Стандарты по тепловым насосам

 

1.3 Преимущества и ограничения замкнутых водяных систем

Данные системы применяются  главным образом в зданиях, где  имеется множество помещений: административные здания, жилые дома, гостиницы, мотели, торговые центры и пр. В торговых центрах их стали применять не так давно. На самом деле кольцевые водяные системы известны с 1960 года. Накопленный с тех пор опыт эксплуатации показывает, что по своей надежности они вполне могут соперничать с традиционными системами.

В Соединенных Штатах их доля на рынке охватывает 4%, что  составляет более миллиона установленных  агрегатов. На 60% их использование идет в новом строительстве, остальные 40% – в реконструируемом. В Европе такие системы только появились.

 

1.4 Принцип действия

Кольцевая водяная система  состоит из некоторого количества автономных реверсивных кондиционирующих теплонасосных  установок типа «вода-воздух», соединенных, как правило, в замкнутый гидравлический контур  двумя трубопроводами – прямым и обратным.

В состав системы входят также градирня и теплогенератор (котел).

В замкнутом контуре циркулирует  горячая вода, ее температура в  течение всего года поддерживается на уровне от 18 до 32°С. Вода питает кондиционеры. Замкнутый водяной контур работает и как источник тепла, из которого потребляют энергию системные агрегаты, находящиеся в режиме теплового насоса, и как источник холода, куда агрегаты в режиме охлаждения «сбрасывают» тепло. Если число агрегатов, находящихся в режиме отопления, равно числу агрегатов, работающих на охлаждение, то система самоуравновешивается, для нее не требуется тепловая энергия извне и отпадает необходимость перерабатывать тепло. Во всех остальных случаях системе может требоваться либо дополнительное тепло, либо отвод излишнего тепла наружу. На практике в зимний период, когда температура воды стремится опуститься ниже уровня 21°С, включается котел дополнительного обогрева, и, наоборот, летом, когда температура превышает 29°С, включается охлаждающая башня.

 

1.5 Преимущества

Основные преимущества замкнутых теплонасосных систем:

• непрерывность работы системы: даже если выйдут из строя  один или несколько агрегатов, их изолируют и будут восстанавливать, что никак не повлияет на работу остальных;

• одновременная возможность  обеспечения охлаждения и отопления: тепловые насосы класса «вода-воздух», подключенные к водопроводному контуру, в зависимости от потребностей пользователей  обеспечивают тепло или охлаждение;

• КПД тепловых насосов класса «вода-воздух» процентов на 20–30 выше, чем КПД конденсирующих воздушных агрегатов, соответственно, ниже энергопотребление.

 

1.6 Недостатки

Основными недостатками такого рода систем являются:

• шум, генерируемый автономными  агрегатами, установленными в помещении;

• пространство, забираемое в помещении  под установку агрегата;

• в случае необходимости  проведения работ по техническому обслуживанию агрегата такие работы проводятся непосредственно  в обслуживаемом помещении.

Нормативы UNI по тепловым насосам

Стандарты ARI по тепловым насосам

(ARI – Институт кондиционирования  и холодильного оборудования)

3. Тепловые насосы в Европе – сколько и какие?

По данным на 1997 год  из 90 миллионов тепловых насосов, установленных  в мире, примерно только 5%, или 4,28 миллиона аппаратов, смонтировано в Европе. Совсем немного по сравнению с 57 миллионами систем, имеющихся в Японии, где такое оборудование является основным в обеспечении отопления жилого фонда.

В Соединенных Штатах насчитывается 13,5 миллионов установленных агрегатов, а еще только развивающийся китайский рынок достиг уровня 10 миллионов систем.

Подобное нерасположение Европы к  тепловым насосам имеет свои причины, однако, в последнее время отношение  начинает меняться. Примерная оценка числа тепловых насосов, установленных в главных странах Сообщества в жилом фонде, торгово-административных и промышленных сооружениях, приводится в табл. А. Львиную долю составляют страны Южной Европы: Испания, Италия и Греция.

В жилом фонде имеется  три миллиона установленных тепловых насосов. Однако по степени охвата показатель довольно скромный – что-то около 1%. Хотя очевидно, что установленные в торгово-административном фонде 1,2 миллиона агрегатов, составляя абсолютное наименьшее значение, будут иметь несколько больший охват.

 

4. Виды установленных систем

Примерно 77% установленных  в Европе тепловых насосов используют наружный воздух в качестве источника  тепла, хотя в Швеции, Швейцарии и  Австрии преобладают тепловые насосы, забирающие тепло из грунта по заглубленному змеевиковому теплообменнику: данные по этим странам составляют соответственно 28, 40 и 82%. В Северной Европе зачастую тепловые насосы применяются только для отопления и приготовления горячей санитарной воды.

В большинстве случаев  в качестве жидкого теплоносителя используется низкотемпературная вода, питающая радиаторы и теплые (излучающие) полы.

По данным недавнего  опроса, проведенного одним из крупнейших мировых производителей холодильных  компрессоров, общий объем производства тепловых насосов класса «воздух-вода», предназначенных только для отопления взамен отопительных газовых и жидко-топливных котлов, составит в Европе 13 000 в 2001 году, 25 000 в 2002 году и 35 000 в 2003 году.

Системы класса «воздух-воздух», главным образом раздельные (англ. – split) реверсивные, преобладают в Южной Европе: Италии, Испании и Греции. В этих странах, однако, выбор системы на основе теплового насоса зачастую обусловлен необходимостью кондиционирования воздуха в летний период. Впрочем, в регионах, лежащих еще южнее, и на островах такие системы часто полностью обеспечивают отопительные потребности в зимний период.