Тепловой насос

 

5. Источники тепла

Тепловые, энергетические и экономические характеристики тепловых насосов тесно взаимоувязаны  с характеристиками источников, откуда насосы черпают тепло.

Идеальный источник тепла должен давать стабильную высокую температуру  в течение отопительного сезона, быть изобильным, не быть коррозийным  и загрязняющим, иметь благоприятные  теплофизические характеристики, не требовать существенных инвестиций и расходов по обслуживанию.

В большинстве случаев имеющийся  источник тепла является ключевым фактором, определяющим эксплуатационные характеристики теплового насоса. В табл. 1 приведены  температурные показатели, типичные для наиболее распространенных источников тепла.

Наружный и отводимый воздух, почва и подпочвенная вода представляют источники тепла, широко используемые в небольших системах на базе тепловых насосов, тогда как морская, озерная  и речная вода, геотермические источники  и грунтовые воды применяются для систем большой мощности.

 

 

4.1 Воздух

Наружный воздух, будучи совершенно бесплатным и общедоступным, является наиболее предпочитаемым источником тепла.

Тем не менее, тепловые насосы, применяющие  именно воздух, имеют фактор сезонной нагрузки (SPF) в среднем ниже на 10–30% по сравнению с водяными тепловыми насосами. Это объясняется следующими обстоятельствами:

- быстрым снижением мощности  и производительности с падением  наружной температуры;

- относительно большой разностью  температур конденсации и испарения в период минимальных зимних температур, что в целом снижает эффективность процесса;

 

 

- энергозатратами на размораживание  испарительной батареи и функционирование  соответствующих вентиляторов.

В условиях теплого и влажного климата на поверхности испарителя в диапазоне от 0 до 6°C образуется изморось, что ведет к снижению мощности и производительности теплового насоса.

Иней уменьшает площадь  свободной поверхности и препятствует прохождению воздуха. Как следствие, снижается температура испарения, что в свою очередь способствует нарастанию инея и дальнейшему неуклонному снижению производительности вплоть до возможной полной остановки агрегата вследствие срабатывания контрольного датчика низкого давления, если прежде не будет устранено обледенение.

Размораживание батареи  осуществляется путем инверсии охлаждающего цикла или иными, хотя и менее  эффективными способами.

Энергопотребление имеет  тенденцию к росту, общий коэффициент  производительности СОР сокращается  с увеличением частоты размораживания. Применение специальной системы контроля, обеспечивающей размораживание по требованию (то есть когда оно фактически необходимо), а не периодическое, может существенно повысить общую эффективность.

Еще один источник тепла  в жилых и торгово-административных сооружениях – отводимый вентиляционный воздух.

Тепловой насос регенерирует тепло  из отводимого воздуха и обеспечивает приготовление горячей воды или  теплого воздуха для отопления  помещений. В этом случае, однако, требуется  постоянное вентилирование в течение всего отопительного сезона или даже целого года, если предусмотрено кондиционирование помещений в летний период.

Существуют аппараты, в которых конструктивно изначально заложена возможность использования  и отводимого вентиляционного воздуха, и наружного воздуха. В некоторых случаях тепловые насосы, применяющие отводимый воздух, используются в комбинации с рекуператорами «воздух-воздух».

 

4.2 Воды

Подпочвенные воды есть во многих местах, они имеют достаточно стабильную температуру в диапазоне от 4 до 10°C .

Для ее использования  применяются главным образом  открытые системы: подпочвенная вода откачивается и подается на теплообменник системного агрегата, где у воды отбирается часть содержащегося в ней  тепла. Вода, охлажденная таким образом, отводится в сливной колодец или в поверхностные воды. Открытые системы требуют самого тщательного проектирования в целях предотвращения проблем с замерзанием, коррозией и накоплением отложений.

Большим недостатком  тепловых насосов, работающих на подпочвенных водах, является высокая стоимость работ по монтажу водозабора. Кроме того, следует учитывать требования, порой весьма жесткие, местных администраций в вопросах организации сточных вод.

Речная и озерная  вода с теоретической точки зрения представляется весьма привлекательным источником тепла, но имеет один существенный недостаток – чрезвычайно низкую температуру в зимний период (она может опускаться до уровня чуть выше или практически вплотную к 0°C ).

По этой причине требуется особое внимание при проектировании системы в целях предотвращения замораживания испарителя.

Морская вода представляется в некоторых случаях отличным источником тепла и используется главным образом в средних  и крупных системах.

На глубине от 25 до 50 м морская вода имеет постоянную температуру в диапазоне от 5 до 8°C . И, как правило, проблем с образованием льда не возникает, поскольку точка замерзания здесь от -10 до -2°C . Есть возможность использовать как системы прямого расширения, так и системы с рассолом.

Важно только использовать теплообменники и насосные агрегаты, стойкие к воздействию коррозии, и предотвращать накопление отложений органического характера в водозаборном трубопроводе, теплообменниках, испарителях и пр.

Грунтовым водам свойственна  относительно высокая и стабильная в течение года температура.

Основные ограничения  здесь, как правило, могут составлять расстояние транспортировки и фактические  ресурсы, объем которых может  меняться.

Примерами возможных  источников тепла в данной категории  носителей можно считать грунтовые воды на канализационных участках (очистные и прочие водостоки), промышленные водостоки, водостоки участков охлаждения промышленных конденсаторов или производства электроэнергии.

 

4.3 Грунт

Тепловые насосы, применяющие  грунт в качестве источника тепла, используются для обслуживания жилых и торгово-административных сооружений. Грунт, как и подпочвенные воды, имеет одно преимущество – относительно стабильную в течение года температуру. Тепло отбирается по трубам, уложенным в землю горизонтально или вертикально (спиралеобразно). Здесь могут использоваться:

- системы прямого расширения  с охлаждающей жидкостью, испаряющейся  по мере циркуляции в контуре  трубопровода, заглубленного в грунт;

- системы с рассольной жидкостью,  прокачиваемой по трубопроводу, заглубленному в грунт.

В целом тепловые насосы рассольного типа имеют более  низкую производительность по сравнению  с агрегатами первого типа в силу происходящего в них «двойного» теплообмена (грунт-рассол, рассол-хладагент) и энергозатрат на обеспечение работы циркуляции рассола. Хотя справедливости ради надо заметить, что обслуживать такие системы существенно проще.

Тепловая емкость грунта варьируется в зависимости от его влажности и общих климатических  условий конкретной местности. В  силу производимого отбора тепла во время отопительного сезона его температура понижается.

На участках с холодным климатом большая часть энергии  извлекается в форме латентного тепла, когда грунт промерзает. В  летний период, однако, под действием  солнца температура грунта вновь поднимается вплоть до создания возможности полностью вернуться к первоначальным условиям.

Действующие по такому принципу тепловые насосы обычно называют «геотермическими», что по сути своей неверно, поскольку  здесь не задействовано радиогенное  тепло земли, содержащееся в глубинных скальных породах.

Геотермическими источниками (скальными) можно пользоваться в  регионах, где подпочвенных вод мало или нет совсем. Тогда нужно  пробурить колодцы глубиной от 100 до 200 м. В том случае, если требуется  обеспечить высокую тепловую мощность, колодцы бурятся под определенным наклоном таким образом, чтобы добраться и упереться в большой скальный массив. Для таких тепловых насосов также применяется рассольная жидкость и пластмассовый сварной трубопровод, извлекающий тепло из скалы. В некоторых системах скальная порода используется для аккумулирования тепла или охлаждающей энергии. В силу высокой стоимости буровых работ скальные породы для обслуживания жилого сектора применяются довольно редко.

 

6. Функциональные температуры

Поскольку тепловые насосы имеют тем  большую производительность, чем  меньше разность температур источника  тепла и распределяемой жидкости-теплоносителя, температура подачи такого теплоносителя  во время отопительного сезона должна быть как можно ниже. Некоторые значения коэффициента СОР, типичные для тепловых насосов класса «вода-вода» для различных типов систем, приведены в табл. 2.

Существует великое  множество различных моделей  и конструктивных модификаций тепловых насосов в широком диапазоне  мощности, которые могут удовлетворить потребности практически любого пользователя. Они вполне могут успешно заменить традиционные газовые котлы низкотемпературных отопительных систем как в жилом, так и в торгово-административном секторе. В ближайшие годы следует предусмотреть существенный рост числа таких агрегатов, которые постепенно начнут занимать и те отопительные участки, где пока еще доминируют газовые котлы.

Рис.1. Типичная динамика коэффициента СОР теплового насоса класса «земля-воздух» в зависимости от разности температур грунта и приготовляемой горячей воды.

7. Среда и тепловые насосы

Эффективность тепловых насосов в  последние годы значительно возросла в силу изменений, внесенных в  конструкцию компрессоров, теплообменников  и систем управления на базе микропроцессоров.

В результате их воздействие  на среду существенно снизилось, вплоть до того, что теперь они считаются  более «чистыми» в экологическом  плане, нежели самые современные  высокоэффективные газовые котлы.

Для оценки реальной эффективности  теплового насоса в реальных эксплуатационных условиях коэффициент сезонной производительности SEER является более важным, чем КПД. Это показатель соотношения между общей тепловой энергией в Вт, выдаваемой за сезон, и общей электроэнергией, потребляемой для обеспечения работы теплового насоса в течение отопительного сезона в конкретных эксплуатационных условиях.

Современные тепловые насосы класса «воздух-воздух» обеспечивают рабочий показатель SEER на уровне 3. Для  сравнения: насосы классов «вода-вода»  и «грунт-вода» работают более эффективно и показатель SEER у них может подниматься до 4. На основе показателя SEER можно провести сравнительный анализ воздействия на среду тепловых насосов и газовых котлов по годовым эксплуатационным показателям сгорания, объемам выбросов в атмосферу СО2.

Кривые на рис. А обозначают два режима выброса СО2:

- котлы: выбросы СО2, образуемого при сгорании газа, – 221 г на кВт.ч произведенного  тепла;

- тепловые насосы: выбросы  СО2, образуемого при производстве  электроэнергии, – 460 г на кВт.ч произведенного электричества.

Для примера: тепловой насос  с показателем SEER 3,0 по сравнению  с котлом, имеющим коэффициент  годовой производительности на уровне 90% (уровень чрезвычайно высокий  и труднодостижимый), воздействует на среду на 40% «мягче», чем такой котел. Иными словами, тепловой насос выбрасывает в атмосферу СО2 на 40% меньше, чем котел той же мощности за аналогичный временной отрезок.

Источник: H. J. Laue IZW e V., Germany, Heat Pumps – Status and Trends, Europe. VI конференция по тепловым насосам Международного энергетического агентства. Берлин, 1999.

Рис.2. Процентное сокращение выбросов СО2 тепловым насосом в зависимости от соответствующего показателя SEER по сравнению с котлом и в зависимости от соответствующего коэффициента сезонной производительности.

 

8. Надежность и долговечность тепловых насосов

Помимо весьма высокой  эффективности тепловые насосы достигли в настоящее время такого уровня конструктивной прочности, который  обеспечивает чрезвычайную долговечность  и более чем внушительную надежность. По результатам исследования, проведенного ASHRAE (Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха), отмечены следующие данные:

- бытовые тепловые  насосы класса «воздух-воздух»  – 15 лет;

- тепловые насосы сферы обслуживания класса «воздух-воздух» – 15 лет;

- тепловые насосы сферы  обслуживания класса «вода-воздух»  – 19 лет.

Цифры весьма внушительные и лишний раз подтверждают высокое  качество этих агрегатов. В их пользу говорит и такой факт: исследование проводилось на машинах, оснащенных большей частью переменными герметичными компрессорами. Если бы проверка проводилась в наши дни, результаты могли бы быть еще более впечатляющими, поскольку ныне почти повсеместно применяются спиральные (англ. - scroll) компрессоры.

Результаты, полученные экспертами ASHRAE, нашли подтверждение в данных других исследований: институт EPRI еще  в 1990 году провел опрос сотрудников  трех энергетических компаний об установленных  у обслуживаемых ими пользователей  тепловых насосах общим количеством 4 557 единиц в различных регионах Соединенных Штатов. По результатам этих исследований спустя 15 лет после ввода в эксплуатацию тепловых насосов больше половины из них продолжали успешно работать. В этом исследовании большей частью фигурировали агрегаты с герметичными компрессорами переменного типа, примерно в половине случаев с момента установки они не менялись. Следует подчеркнуть, что это были реверсивные тепловые насосы, имеющие два рабочих режима – отопления и охлаждения, то есть агрегаты, которые работали на износ практически круглый год. Замены, произведенные на второй половине аппаратов, были обусловлены их моральным старением, а не поломкой (то есть потребитель предпочел установить более современные модели).