Тепловые насосы

 

Розділ.1 Загальна характеристика об’єкту

 

1.1 Загальні  відомості

Теплові насоси - це компактні  опалювальні установки, робота яких забезпечується використанням та перетворенням тепла від зовнішніх джерел - повітря, ґрунту землі, води. Теплові насоси  призначені для опалення, підігріву гарячої води та охолодження приміщень

 Такі прилади екологічно  чисті та не дають шкідливих  викидів в атмосферу, забезпечують від 65 до 80% економії коштів, що ідуть на опалення, гаряче водопостачання та кондиціювання приміщень. Споживаючи для роботи власного компресора 1кВт енергії тепловий насос виробляє від 3 до 7кВт теплової енергії.   

 Саме тому сьогодні  все більше і більше людей  вибирають системи, що базуються  на використанні теплових насосів, які є найбільш рентабельними системами з самим тривалим терміном служби з усіх нині відомих систем опалення та кондиціювання на світовому ринку. Крім того, вони завжди забезпечують підготовку гарячої води і повністю покривають потреби в ній. 

Кожного року темпи використання теплових насосів для теплопостачання зростають, в країнах Європи будівництво будинків з такими системами - звичайна практика. У всьому світі, де газ не є достатньо дешевим, теплові насоси мають найкращі перспективи та темпи по впровадженню. В Україні, де вже починають замислюватись, що в умовах безперервного росту цін на енергоносії, необхідно приймати досвід інших країн, теплові насоси починають знаходити своє застосування все частіше. Теплові насоси допомагають створити надійний комфорт як для приватних будівель так і для офісних та виробничих приміщень. Вони надійно працюють в автоматичному режимі на протязі 25-40років.

 Концепцію теплових  насосів було розроблено ще  в 1852  британським фізиком та інженером Вільямом Томпсоном  (Лордом Кельвіном) і в подальшому вдосконалено та деталізовано австрійським інженером Петером фон Ріттінгером . Петера Ріттера фон Ріттінгера вважають винахідником теплового насосу, оскільки саме він спроектував і встановив перший відомий тепловий насос у 1855 році .

Практичного застосування тепловий насос набув значно пізніше, а точніше у 40-х роках ХХ століття, коли винахідник-ентузіаст Роберт Вебер (Robert C. Webber) експериментував з морозильною камерою . Одного разу           Вебер випадково доторкнувся до гарячої труби на виході камери і зрозумів, що тепло просто викидається назовні. Винахідник замислився над тим, як використати це тепло, — і вирішив помістити трубу в бойлер для підігріву води. У результаті Вебер забезпечив свою родину такою кількістю гарячої води, що її вони просто не могли використати, — і при цьому частина тепла потрапляла у повітря. Це наштовхнуло його на думку, що від одного джерела тепла можна підігрівати і воду, і повітря одночасно: Вебер удосконалив свій винахід і почав проганяти гарячу воду по спіралі (через змійовик ) і за допомогою невеликого вентилятора розповсюджувати тепло по будинку з метою його опалення.

Згодом саме у Вебера з'явилась ідея «викачувати» тепло із землі, де температура не надто змінювалась протягом року. Він помістив у ґрунт мідні труби, якими циркулював фреон , що «збирав» тепло землі. Газ конденсувався, віддаючи своє тепло у домі, та знов проходив через змійовик, щоб підібрати наступну порцію тепла. Повітря приводилося в рух за допомогою вентилятора і розповсюджувалось по будинку.

У 40-х роках  тепловий насос був відомим через  свою надзвичайну ефективність, але  реальна потреба у ньому виникла  за часів Арабського нафтового ембарго  у 70-х роках, коли, незважаючи на низькі ціни на енергоносії, з'явився інтерес до енергозбереження.

 

1.2 Принцип  роботи теплового насосу

 

Тепловий насос — це спеціальний пристрій, що поєднує  в собі котел, джерело гарячого водопостачання і кондиціонер для охолодження. Головною відмінністю теплового насосу від інших джерел тепла є можливість використання низькопотенційної енергії, взятої з навколишнього середовища (землі, води, повітря, стічних вод), для покриття потреб у теплі під час опалення, нагріву води, а також для виробництва холоду і охолодження будинку.   Через це тепловий насос забезпечує якісне енергопостачання без газу та інших горючих джерел теплоти. Тепловий насос — це установка, яка працює за принципом зворотної холодильної машини, передаючи тепло від джерела низької температури до середовища з більш високою температурою, наприклад, до системи опалення в будинку.

Кожна теплонасосна система має наступні складові компоненти: 
-       Бак-акумулятор — теплоізольована ємкість, призначена для акумулювання наргрітої води, з метою вирівнювання теплових навантажень та безперебійного гарячого водопостачання, це також подовжує строк роботи теплового насоса.

-   Первинний  ґрунтовий контур — закрита  система, яка складається з  випарника (тепловго насоса), циркуляційного насоса грунтового контуру, трубопроводів, і призначена для передачі тепла від ґрунту до теплонасосної установки.

-   Вторинний  ґрунтовий контур — закрита  система, яка включає в себе  конденсатор (теплового насоса), циркуляційний насос, трубопроводи, і служить для передачі тепла від теплового насоса до системи опалення у будинку. 
Принцип роботи теплового насоса подібний до роботи звичайного холодильника, тільки навпаки. Холодильник забирає тепло від харчових продуктів і переносить його назовні. Теплонасос переносить тепло, накопичене в ґрунті, землі, водоймі, підземних водах чи повітрі, до будинку. Як і холодильник, цей енергоефективний теплогенератор має наступні основні елементи:

-     Конденсатор (високоефективний теплообмінник,  в якому відбувається відбір тепла від холодоагенту і передача його до елементів системи опалення приміщення: низькотемпературних радіаторів, фанкойлів, теплій підлозі тощо);

-    Дросель  (пристрій, що служить для зниження  тиску, температури і, як наслідок, замикає теплофікаційний цикл у тепловому насосі);

-  Випарник (теплообмінник,  в якому відбувається відбір  тепла від низькотемпературного джерела до теплового насосу);

-       Компресор (пристрій, що підвищує  тиск і температуру пари холодоагенту). 
Конструкція й основні елементи типового парокомпресійного теплового насоса показана на малюнку нижче. 

Рис 1.1Схема теплового насоса 

 

Тепловий насос  влаштований таким чином, щоб  примусити тепло рухатися в зворотному напрямку. Наприклад, під час нагріву будинку, тепло відбирається від якого-небудь холодного зовнішнього джерела (грунту, природної водойми, зовнішнього повітря) і "перекачується" в будинок. Для охолодження (кондиціювання) будинку тепло відбирається від більш теплого повітря в будинку і передається назовні. У цьому відношенні тепловий насос також схожий на звичайний гідравлічний насос, який перекачує рідину з нижнього рівня на верхній, тоді як у звичайних умовах рідина завжди рухається з верхнього рівня на нижній.

На сьогоднішній день найбільш поширеними є парокомпресійні теплові насоси. В основу принципу їх дії лежать два термодинамічні явища: по-перше, поглинання і виділення тепла рідиною при зміні агрегатного стану — випаровування і конденсація, відповідно; по-друге, зміна температури випаровування (і конденсації) при зміні тиску.

У випарнику  теплового циркулює насоса робоче тіло - холодоагент, який не містить хлору, - він знаходиться під низьким тиском і кипить при низькій температурі, при цьому вбираючи тепло низькопотенційного джерела. Після цього робоче тіло стискується в компресорі, який живиться від електричного або іншого двигуна, і подається в наступний теплообмінник - конденсатор, де при високому тиску починає конденсуватися, при цьому, маючи більш високу температуру, холодоагент віддає тепло, виділене при конденсуванні, приймачу тепла, тобто, воді, що циркулює в системі опалення. З конденсатора робоче тіло проходить через дросель і знову потрапляє у випарник. У дросельному пристрої тиск хладогенту знижується. Таким чином цикл замикається, і процес кипіння холодоагенту починається знову.

Тепловий насос  здатний відбирати тепло від  декількох джерел, наприклад, повітря, води або землі. Таким же шляхом він  може скидати тепло в повітря, воду або землю. Тепліше середовище, яке сприймає тепло, називається теплоприймачем. Залежно від типу джерела і приймача тепла, випарник і конденсатор можуть бути виконані як теплообмінники типу «повітря-рідина», так і «рідина-рідина».

Регулювання роботи системи опалення з використанням  теплових насосів у більшості  випадків здійснюється за допомогою його включення і виключення за сигналом датчика температури, який встановлений у приймальнику (при нагріванні) або джерелі (при охолодженні) тепла. Налаштування теплового насоса зазвичай здійснюється зміною перерізу дроселя (теплорегулюючі вентиля).

Подібно до всіх інших холодильних машин, тепловий насос використовує механічну (електричну або іншу) енергію для реалізації термодинамічного циклу. Ця енергія затрачається на привід компресора. Коефіцієнт перетворення теплової енергії (або коефіцієнт ефективності) теплового насосу — це відношення кількості виробленої теплової енергії до кількості енергії (електричної), затраченої на привід теплового насоса. Він залежить від температур у випарнику і конденсаторі. Значення коефіцієнта перетворення коливається для різних систем в межах від 2,5 до 7, що означає, що на 1 кВт спожитої електричної енергії тепловий насос виробляє від 2,5 до 7 кВт теплової енергії, а це, погодьтеся, не під силу ні конденсаційному газовому котлу, ні будь-якому іншому генератору тепла. Тому можна стверджувати, що парокомпресійні теплові насоси виробляють тепло, використовуючи мінімальну кількість дорогої електричної енергії.

 

1.3 Види  теплових насосів

1) Варіант грунт - вода, грунтовий тепловий насос

 Рис.1.2.Система грунт-вода

Ґрунт найбільш стабільне джерело розсіяного тепла. Незалежно від температури повітря, ґрунт має постійну температуру, нижче глибини промерзання. Теплові насоси можуть використовувати в якості джерела тепла енергію ґрунту Вашої земельної ділянки. Збережена в ґрунті сонячна енергія, подарує комфортне тепло навіть у холодні дні. Трубопровід, у якому циркулює неотруйна рідина, закопується в землю на глибину 1 м. Мінімальна відстань між сусідніми трубопроводами – 0,8-1 м. Спеціальної підготовки ґрунту, засипань і т.п. не потрібно. Орієнтовне значення теплової потужності, що приходить на 1 метр трубопроводу - 20..30 Вт. Таким чином, для установки теплового насоса продуктивністю 10 кВт, необхідний земляний контур довжиною 350..450 метрів, для укладання такого контуру буде потрібно ділянка землі площею близько 400 кв. метрів (20м*20м).  

 

Рис.1.3Вертикальний колектор

Система довгих труб, що опускаються в глибоку скважину (50-150 метрів). Тут потрібна невелика ділянка землі, але є необхідність у дорогих бурильних роботах. На глибині завжди однакова температура - близько 9 градусів Цельсія, тому даний вид колектора більш ефективний.  

 

2. Варіант вода - вода, водяний тепловий насос (водяний Рис.1.4.Система вода-вода

Вода є найбільш універсальним  теплопровідником. Моря, ріки, ґрунтові води можуть віддавати тепло цілий рік. Використання, як джерела тепла води найближчої водойми або ріки, є ідеальним варіантом. У цьому випадку, контур укладається на дно водойми. Переваги такого методу – короткий зовнішній контур, «висока» температура навколишнього середовища (температура води у водоймі взимку завжди позитивна), високий коефіцієнт перетворення енергії тепловим насосом. Орієнтовне значення теплової потужності, що доводиться на 1 метр трубопроводу 30 Вт. Таким чином, для установки теплового насоса продуктивністю 10 кВт необхідно укласти в озеро контур довжиною 300 метрів. Для того щоб трубопровід не всплив, на 1 погонний метр трубопроводу встановлюється близько 5 кг вантажу.   

 

 

 

3)Варіант повітря - вода, повітряний тепловий насос Рис1.5 Система повітря-вода

Навколишнє повітря  особливо легко використовувати  в якості джерела тепла, воно є скрізь і в необмеженій кількості. Тип данного колектора являється найкращим рішенням для південних регіонів.

 

 

1.4 Перевагиі  теплових насосів 

 

Економічність. Тепловий насос використовує електричну енергію на багато ефективніше будь-яких котлів, які спалюють паливо. Коефіцієнт ефективності теплових насосів на багато більше одиниці. Між собою теплові насоси порівнюють за умовною величиною — коефіцієнтом перетворення тепла (КПТ), також це поняття називається коефіцієнтом трансформації тепла, потужності, перетворення температур. Він показує відношення одержуваного тепла до витраченої енергії. Приміром, КПТ = 4,5 означає, що номінальна (споживана) потужність теплового насоса становить 1 кВт, на виході ми одержимо 4,5 кВт теплової потужності, тобто 3,5 кВт тепла ми одержуємо із природи;

Широкий спектр застосування. На нашій планеті існує безліч розсіяного тепла. Земля й повітря є скрізь, також більшість людей не мають проблем з водою. Саме вони містять в собі теплову енергію, отриману від сонця. Теплові насоси незалежно від погодних умов, падіння тиску в газовій трубі зберуть це тепло для вас. Усе що потрібно для цього — електрична енергія. Але якщо її немає, це теж не проблема — деякі моделі теплових насосів можуть використовувати дизельне паливо або бензин для своєї роботи;

Екологічність. Тепловий насос не тільки заощаджує гроші, але й береже здоров'я власникам будинку та їх дітям. Прилад не спалює паливо, виходить, не утворюються шкідливі окиси типу CO, СO₂, NО_х, SO₂ , PbО₂. Тому навколо будинку на ґрунті немає слідів сірчаної, азотистої, фосфорної кислот і бензольних з'єднань. Та й для нашої планети застосування теплових насосів безсумнівне благо. Адже на ТЕЦ скорочується витрата газу або вугілля на виробництво електрики. Застосовувані ж у теплових насосах хладони не містять хлоруглеродів і озонобезпечні;

 

Універсальність. Унікальність теплових насосів полягає в тому, що взимку Ви користуєтесь опаленням, а влітку можете перейти на систему кондиціонування. Для цього потрібно підключити замість радіаторів фанкойли. Джерело тепла є ключовим чинником, що визначає експлуатаційні характеристики теплового насоса. Зовнішнє і відведене повітря, грунт і підгрунтна вода – широко використовані джерела тепла в невеликих системах теплових насосів. Морська вода і грунтові води застосовуються для систем більшої потужності.

Сучасні теплові насоси є повністю автоматизованими, невибагливими, не потребують додаткового обслуговування, легко керовані та надійні. 
Теплові насоси отримали сьогодні велике поширення, незважаючи на їх вартість. Але правильний розрахунок показує все ж  їх економічність та раціональність. Капіталовкладення окупляться вже за 5-6 роки, а капітальний ремонт буде потрібен через 20-25 років. Вибираючи теплові насоси, зверніть увагу на фірму-виробника. Найбільшим попитом користуються шведські теплові насоси фірми IVT.