Руководство по тепловым насосам – общие аспекты

ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ – ВВЕДЕНИЕ

Ограниченные топливные ресурсы и всемирная ориентация на защиту окружающей среды — аспекты, которые привлекли внимание к возможности использования возобновляемых источников энергии. На сегодняшний день эти тепловые насосы представляют собой безопасное, эффективное и инновационное отопительное оборудование с экономичной работой с точки зрения потребления электроэнергии.

Тепловые насосы – это оборудование, обеспечивающее необходимые технические предпосылки для эффективного использования солнечной энергии, аккумулированной в подземных водах, почве или воздухе, в виде экологического тепла, для обогрева или охлаждения помещений и для приготовления горячей воды для бытовых нужд.

Тепловой насос получает примерно три четверти требуемой энергии из окружающей среды, а оставшуюся часть тепловой насос использует в качестве приводной энергии электрического тока.
Современные тепловые насосы предлагают эффективные технические возможности для снижения энергопотребления и выбросов CO2. Тепловой насос является хорошей альтернативой при модернизации старых зданий, а также новостроек.

В этой статье рассматриваются основные принципы технологии тепловых насосов, основные технические варианты и иллюстрируются наиболее важные аспекты приложений, объединяющих это оборудование.

ПОЧЕМУ ТЕПЛОВОЙ НАСОС?

1. Экономическая мотивация

1.1 Снижение эксплуатационных расходов

• в зависимости от типа теплового насоса до 3/4 тепловой энергии можно получить из окружающей среды (бесплатно)
• с помощью компрессора (с электроприводом) тепловой насос повышает температуру отбираемого из окружающей среды теплоносителя до температуры, необходимой в системе отопления дома
• с тепловым насосом солнечная энергия, накопленная в окружающей среде, может использоваться круглый год!

1.2 Независимость от ископаемого топлива

Источники энергии, используемые тепловым насосом, доступны прямо у нас на пороге, независимо от наличия или цены на ископаемое топливо.

2. Комфорт

Система отопления с тепловыми насосами предлагает высочайший уровень комфорта и простоту эксплуатации. Система распределения тепла, обычно используемая в сочетании с тепловыми насосами (теплые полы, настенное отопление, системы низкотемпературного отопления), гарантирует комфортный и здоровый климат.

Реверсивные модели тепловых насосов (вода-вода или земля-вода) также могут обеспечивать потребности в охлаждении летом.

Системы тепловых насосов, как правило, очень тихие, полностью автоматизированы и не требуют периодического обслуживания.

Нет необходимости в складе топлива, удалении золы и очистке дымохода.

3. Безопасность на будущее

Выбор системы отопления – это решение на долгие годы. Тепловые насосы – это самая современная технология отопления, доступная на сегодняшний день.

Сегодня тепловые насосы заменяют не только системы отопления на дровах, жидком топливе или угле, но все чаще и системы, использующие природный газ.

Кроме того, возникает вопрос: сможем ли мы позволить себе расходы на отопление через 20 лет? С каждым повышением цен на ископаемое топливо стоимость отопления тепловыми насосами становится более выгодной по сравнению с отоплением газом, жидким топливом или пеллетами.

Независимо от повышения цены на электроэнергию, с тепловым насосом 3/4 потребляемой энергии есть и остается бесплатной.

4. Безопасная эксплуатация

Тепловые насосы производят тепловую энергию посредством термодинамического цикла без сжигания топлива. Этот аспект значительно снижает риск несчастных случаев! Кроме того, тепловые насосы работают с негорючими хладагентами.

5. Идеально подходит как для новых зданий, так и для реконструкции существующих зданий.

Тепловые насосы могут использоваться для обогрева и охлаждения новых зданий и сооружений с низким энергопотреблением (там, где большинство традиционных систем недоступны или технически или экономически неудобны для реализации из-за низкой тепловой мощности). Также там, где уже имеется современная система отопления, использующая ископаемое топливо, и желательно снижение затрат, в качестве дополнительных систем отопления можно использовать тепловые насосы (бивалентный режим).

6. Несколько функций

Тепловые насосы могут обеспечить отопление в холодное время года, охлаждение в теплое время года (с небольшими модификациями) и горячее водоснабжение в течение всего года.

7. Экологический

Сжигание ископаемого топлива для отопления домов и офисов сегодня представляет собой один из крупнейших источников образования CO2. Тепловые насосы производят тепловую энергию без загрязняющих веществ, используя энергию окружающей среды.

КАК РАБОТАЕТ ТЕПЛОВОЙ НАСОС?

Работа теплового насоса – простой принцип с исключительными результатами!

Независимо от их типа, эти тепловые насосы можно рассматривать как оборудование, которое повышает температуру рабочей среды, используя дополнительное количество энергии для производства полезной энергии.

Принцип работы теплового насоса в основном такой же, как у оборудования, которое мы используем каждый день: холодильника. Та же техника, только с обратным использованием; в случае холодильника хладагент забирает тепло у продуктов и отдает его в окружающую среду. Тепловой насос забирает тепло из окружающей среды (почвы, воды или воздуха) и передает его в систему отопления в виде тепловой энергии.

1. Испаритель - получение тепла из окружающей среды (почва, вода, воздух)

В испарителе находится жидкий рабочий агент низкого давления (хладагент). Это вещество с низкой температурой кипения. Температура источника (почвы, воды или воздуха) выше температуры кипения, соответствующей давлению хладагента. Эта разница температур приводит к передаче тепла от окружающей среды к рабочему агенту, который вскипает и испаряется. Теплота, необходимая для его испарения, исходит от внешнего источника тепла (почва, вода, воздух).

2. Компрессор - повышение температуры

Пары рабочего агента непрерывно отсасываются компрессором из испарителя. Хладагент сжимается до тех пор, пока не достигнет температуры, необходимой для отопления и приготовления горячей воды для бытовых нужд.

Процесс сжатия необходим для эффективности теплового насоса. Для всей линейки тепловых насосов используются компрессоры Compliant Scroll, состоящие из двух спиралей (одной неподвижной и одной подвижной), непрерывно сжимающих рабочий агент. Соответствующие требованиям компрессоры полностью герметичны, имеют гораздо более длительный срок службы и работают тише, чем поршневые модели, использовавшиеся в прошлом для тепловых насосов.

3. Конденсатор – теплопередача в отопительную установку

Пары рабочего агента (хладагента) достигают конденсатора теплового насоса, который окружен теплоносителем. Температура теплоносителя ниже температуры конденсации рабочего агента, поэтому пары охлаждаются и конденсируются.

Энергия (тепло), забираемая испарителем, плюс тепло, выделяющееся в процессе сжатия (в компрессоре), высвобождается в конденсаторе и передается теплоносителю в виде полезной энергии для нагрева.

4. Расширительный клапан. - цепь замыкается

Затем рабочий агент возвращается в испаритель через расширительный клапан. Таким образом, рабочий агент переходит из высокого давления конденсатора в низкое давление испарителя. На входе в испаритель достигаются начальные значения давления и температуры. Таким образом, цепь замыкается.

ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ – ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ГДЕ МЫ БЕРЕМ ТЕПЛО?

Почва, вода и воздух являются элементами, доступными в неограниченном количестве, которые можно использовать в качестве источника для теплового насоса.

В каждом отдельном случае наиболее выгодный источник энергии зависит от местных условий, местоположения здания и его потребности в тепле.

Для своего практического использования источники энергии должны отвечать нескольким условиям:

• наличие в достаточном количестве
• максимальная емкость хранилища
• максимально высокий уровень температуры
• достаточная регенерация
• экономический захват

Земля

Почва обладает свойством аккумулировать и сохранять солнечную энергию в течение более длительного периода времени, что приводит к примерно постоянному уровню температуры в течение всего года и, таким образом, к работе тепловых насосов с высоким коэффициентом полезного действия.

Температура почвы колеблется от 7 до 13°С в течение всего года (на глубине 2 м).
Отбираемое из окружающей среды тепло передается в испаритель теплового насоса «грунт-вода» через водно-незамерзающую смесь (соленая вода); температура замерзания этого раствора составляет примерно -15°С.
Накопленное в почве тепло отводится через горизонтально установленные теплообменники, называемые также грунтовыми коллекторами, или через вертикально установленные теплообменники - грунтовые зонды.

Коллекторы в земле - горизонтальные коллекторы

Тепло из почвы отбирается с помощью пластиковых трубок – полиэтилена, вмонтированных в почву на большой поверхности.

Трубы размещаются параллельно в земле на глубине от 1,2 до 1,5 м и, в зависимости от диаметра трубы, на расстоянии ок. от 0,3 до 0,7 м, так что на каждый квадратный метр поверхности захвата прибл. Труба от 1,43 до 2 м.

Количество тепла, которое может быть использовано, и, следовательно, размер необходимой поверхности, во многом зависит от качества почвы. В этом аспекте определяющими величинами являются: прежде всего количество воды в почве, количество минеральных компонентов и размер пор, заполненных воздухом. Аккумулирующая способность и теплопроводность тем выше, чем больше почва увлажнена водой и больше количество минеральных компонентов, меньше пор. Значения удельной мощности извлечения для почвы составляют от 10 до 35 Вт/м2.

При использовании горизонтальных коллекторов нельзя сажать вокруг труб растения с очень глубокими корнями. Регенерация почвы уже осуществляется со второй половины отопительного сезона за счет солнечной радиации и более обильных осадков, поэтому необходимо иметь возможность обеспечить, чтобы почвенный «аккумулятор» снова был готов к прогреву к следующему сезону.

Зонды почвы

Из-за больших площадей земли, необходимых для установки горизонтальных коллекторов, иногда бывает сложно реализовать систему из-за недостатка места.

Для небольших участков земли почвенные зонды являются альтернативой коллектору, размещенному горизонтально в почве. Они могут быть установлены на глубине от 50 до 150 м.

Зонды обычно изготавливаются из полиэтиленовых трубок и обычно монтируются четыре параллельные трубки (зонд с двойной трубкой с U-образным профилем).

Смесь вода-антифриз поступает на самый нижний уровень по двум трубам и возвращается в испаритель теплового насоса по двум другим. Таким образом рама берется от земли, по всей длине труб. Пространства между трубами и грунтом необходимо заполнить материалом с хорошей теплопроводностью (бентонитом).

Мощность экстракции сильно различается, от 20 до 100 Вт/м длины зонда.

Грунтовые воды

Подземные воды также являются хорошим аккумулятором солнечной энергии. Даже в самые холодные зимние дни здесь температура от 7 до 12°C. Однако не во всех районах имеются подземные воды в достаточном количестве и надлежащего качества.

Для использования тепла необходимо сделать две скважины: одну всасывающую и одну поглощающую (дренажную); между ними необходимо предусмотреть расстояние не менее 5 метров, а место выбрать так, чтобы направление потока воды было от всасывающего колодца к поглощающему.

Вода из озер и рек также пригодна для использования в качестве источника тепла, поскольку они также действуют как аккумулятор тепла.

Аерул

Воздух является самым дешевым вариантом при использовании в качестве источника для теплового насоса.

Тепловые насосы типа «воздух-вода» используют в качестве источника тепла наружный воздух, который направляется по воздуховодам с помощью встроенного в устройство вентилятора к испарителю, который извлекает тепло из воздуха.

Отработанное тепло

Среди источников, которые можно использовать с тепловым насосом, сбросное тепло является наиболее эффективным, обеспечивая самые высокие параметры производительности. Однако у него есть недостаток - очень ограниченная доступность.

Название теплового насоса дано рабочим телом в первичном и вторичном контуре. Под первичным контуром здесь понимается источник тепла (воздух, почва, вода), а под вторичным контуром — отопительная установка.

* Тепловые насосы «грунт-вода» также можно найти под названием «тепловые насосы соленая вода-вода». Это название происходит от среды, используемой в первом контуре (источнике) для теплопередачи; для этого используется смесь воды и антифриза (тифокор), называемая по-английски «brine» или по-немецки «sole». Режим работы тепловых насосов адаптируется к существующей системе отопления в здании, в случае старых зданий, для которых производится модернизация. В этом случае необходимо учитывать максимальную температуру, которую тепловые насосы могут достичь за цикл (между 55 и 65°C).

Для систем, размеры которых уже выше этого температурного уровня, тепловые насосы могут работать только вместе с другим теплогенератором. В новостройках можно выбрать систему распределения тепла. В этом случае с учетом самых высоких годовых параметров температуры наружного воздуха будет выбрана система отопления с максимальной температурой за раунд 35°С (теплый пол, стены и т.д.).

С технической точки зрения можно выделить следующие режимы работы:

• Моновалентный режим работы – тепловой насос должен обеспечивать потребности всего здания в отоплении как единственный теплогенератор
• Моноэнергетический режим работы – тепловой насос используется в сочетании с другой системой отопления, работающей на электричестве.
• Бивалентный режим работы – тепловой насос используется в сочетании с другим источником тепла, работающим на твердом, жидком или газообразном топливе.

Для оценки теплового насоса или полной системы теплового насоса наиболее важными факторами являются коэффициент производительности и годовой коэффициент производительности.

Коэффициент полезного действия и годовой коэффициент полезного действия

Соотношение полезной тепловой энергии и энергии электрического привода, потребляемой компрессором, называется «индексом мгновенной мощности» или «коэффициентом производительности».

Коэффициент полезного действия (КПД) = указано производителем, лабораторное значение

Годовой коэффициент производительности (FPA) = отношение между отбираемой за год теплотой и общей потребленной за год энергией

Как правило, коэффициент полезного действия увеличивается по мере уменьшения разницы температур между источником и системой отопления.

Эмпирическая формула:

• Повышение температуры в контуре отопления на один градус приводит к снижению КПД на 2,5%
• Повышение температуры источника на один градус приводит к увеличению КПД на 2,7%.