Тепловые насосы

1. 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)

   

2. 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.