Тепловые насосы

 

Реверсивный тепловой насос – это тепло-холодильная машина, отличающаяся от обычного теплового насоса только наличием специального реверсивного клапана, который может менять направление потока тепла и холода (рис.1-2).

 

Рис.1. Тепловой насос в режиме источника тепла

 

Рис.2. Тепловой насос в режиме кондиционера

Использование тепловых насосов в многоэтажных домах

 

В России жилые многоэтажные дома строятся в большом количестве. При этом стандартным решением для обогрева квартир до сих пор является обычные высокотемпературные радиаторы и системы «теплых полов». Во многих случаях кондиционирование воздуха отсутствует, а если и присутствует, то, как правило, это локальные кондиционеры. При возможности, эти многоэтажные здания подсоединяются к теплоцентрали. В случаях, когда такое решение невозможно из-за отсутствия теплоцентрали или нехватки на некоторых ее участках мощности, на таких зданиях устанавливаются индивидуальные тепловые пункты (ИТП).

Рассмотрим ряд случаев, когда использование тепловых насосов может существенно упростить решение задач теплоснабжения и кондиционирования и улучшить качество жилья в  городских условиях. Например, когда существующая теплоцентраль исчерпала ресурсы высоко потенциального тепла, в центральной тепловой сети еще есть достаточно низко потенциального тепла для обогрева значительного количества зданий.

Обратная вода теплоцентрали обычно имеет температуру 30-40 градусов С. На рис.3 приведен пример использования обратной воды из центрального теплового пункта для нагрева контура водяных тепловых насосов. Эта система использует теплообменник и трехходовой клапан для поддержания температуры в прямой трубе контура тепловых насосов в диапазоне 25-28 градусов. Температура воды в обратной трубе тепловых насосов обычно опускается до 15-20 градусов. Рисунок иллюстрирует случай, когда горячая питьевая вода поставляется традиционным методом из ЦТП. В качестве альтернативы для горячего водоснабжения могут быть использованы индивидуальные тепловые насосы типа вода-вода, расположенные в каждой квартире или в домовом тепловом пункте.

Рис.3. Центральный тепловой пункт с дополненным контуром тепловых насосов

 

Когда в здании с центральным отоплением необходимо организовать дополнительное отопление помещений, а ресурсы существующей системы отопления исчерпаны, то контур тепловых насосов может быть подключен к обратной трубе системы отопления или горячего водоснабжения внутри самого здания. В этом случае не требуется организовывать дополнительного подключения в центральном тепловом пункте и строительства дополнительной магистрали контура тепловых насосов. Все работы проводятся с минимальными затратами внутри самого здания.

 

На рис.4 показано подключение контура тепловых насосов прямо к обратной трубе центральной тепловой сети здания или теплоцентрали.

 

Рис.4. Питание от тепловой сети здания.

Насос Р11 или Р12, оснащенный частотным преобразователем забирает воду из обратной трубы тепловой сети, прокачивает ее через теплообменник  и возвращает ее в ту же трубу. Система  управления регулирует скорость насоса таким образом, чтобы температура в прямой трубе контура тепловых насосов была в оптимальном диапазоне 25 – 28 градусов. Преимущества этой системы заключается в ее дешевизне, сравнительно малом размере и легкости монтажа. Насосы и теплообменник могут быть легко размещены в подвальном помещении обслуживаемого здания.

Система охлаждения легко добавляется при  установке на крыше градирни или теплового насоса с накопительной емкостью для приготовления горячей воды или аккумулирования тепла. Пример представлен на рис.5-7. В соответствии с этим рисунком в периоды, когда требуется отопление, работают насосы Р1 и Р2 и клапан V1 включен в состояние обхода градирни, градирня выключена. Система управления поддерживает температуру ТЕ в диапазоне 25 – 28 градусов. Когда требуется охлаждение насосы Р1 выключаются, клапан V1 включается в состояние пропуска воды через градирню, система управления регулирует скорость вентилятора градирни так, чтобы температура в прямой трубе контура тепловых насосов была в диапазоне 25 – 28 градусов. Необходимо отметить, что в переходные периоды года, значительную часть времени вообще не потребуется внешнего источника отопления или охлаждения здания. Тепловые насосы, например на северной и южной сторонах здания, будут работать в противоположных режимах и тепло будет перекачиваться с южной стороны здания на северную сторону.

 

Рис.5. Контур тепловых насосов и градирня, работающие в зимний период

 

 

Рис.6. Контур тепловых насосов и градирня, работающие в период осень/весна

Рис.7. Контур тепловых насосов и градирня, работающие в летний период

 

В тех случаях, когда  строится новая ветвь тепловой сети, рассчитанная на использование тепловых насосов, она может быть рассчитана на максимальную температуру 70 градусов. Такая система обеспечит горячее водоснабжение и отопление в течение всего года. Пример такой системы показан на рис.8-9. Подсоединение контура тепловых насосов может быть осуществлено между прямой и обратной трубами тепловой магистрали, либо только к обратной трубе с использованием циркуляционных насосов как это показано на рисунке. Основное достоинство такого подхода является то обстоятельство, что тепловая магистраль работает при низких давлениях и температурах и может быть выполнена из некорродирующих пластиковых материалов.

 

Рис.8. Подсоединение здания к специализированной низкотемпературной тепловой сети (зимний период)

 

Рис.9. Подсоединение здания к специализированной низкотемпературной тепловой сети (летний период)

 

При отсутствии тепловой сети может быть использована схема котел - градирня, показанная на рис.10-11. В этом случае низко-потенциальное тепло для обогрева генерируется специальными высокоэффективными конденсационными котлами. При необходимости вывода тепла из здания включается градирня и открывается клапан V3. При необходимости ввода тепла в здание, клапан V3 закрывается, градирня выключается, клапаны V1 и/или V2 открываются, и включается один или два котла. Следует отметить, что такая система является более энергетически экономичной по сравнению с традиционным водяным отоплением, поскольку значительную часть времени тепло перекачивается внутри системы из одних помещений, требующих охлаждение (например, с южной стороны здания) в другие помещения, требующие отопления.

Рис.10. Контур тепловых насосов типа «Котел – Градирня» (зимний период)

Рис.11. Контур тепловых насосов типа «Котел – Градирня» (летний период)

 

На рис.12-13 показана система отопления и кондиционирования отдельной квартиры или офиса. Оборудование может включать в себя тепловой насос с воздушным вторичным контуром. Для обеспечения адекватной вентиляции в насос подается необходимое количество внешнего воздуха, предварительно обработанного центральной приточной установкой (которая также может быть построена с использованием теплового насоса). Система может быть оборудована зонным регулированием температуры, при которой каждая зона (комната) оборудована воздушной автоматической заслонкой и термометром, и система автоматики поддерживает точную температуру в каждой зоне. При желании может быть установлен тепловой насос типа вода-вода, который обеспечит питание теплых полов, например, в ванной.

 

Рис.12. Общая схема подсоединение квартир к стояку тепловых насосов

 

Рис.13. Схема функционирования теплового насоса в квартире

 

Также может быть установлен тепловой насос типа вода-вода с накопительным баком для обеспечения горячего водоснабжения. В последнем случае к каждой квартире подводятся только три трубы: две трубы контура тепловых насосов и труба холодной воды. Легко заметить, что предлагаемая система в состоянии обеспечить практически любой уровень комфорта в течение всего года, включая те месяцы, когда тепловая сеть работает только в режиме горячего водоснабжения.

Как указывалось выше системы с тепловыми насосами часто совсем не используют внешнюю тепловую энергию, используя только электроэнергию для перекачки тепла из одних помещений в другие.

Очень хорошие результаты можно получить, если добавить в рассмотренные варианты системы по утилизации тепла вентиляционных выбросов зданий и возврата этого тепла для обогрева или горячего водоснабжения. Это особенно эффективно в домах с индивидуальным отоплением, где всегда высокая температура вентиляционных выбросов.

В схему теплоснабжения от тепловых насосов гармонично и  эффективно вписываются солнечные гелиоколлекторы, применение которых с апреля по сентябрь может полностью удовлетворить потребность в дополнительной энергии.

В любом случае, предложенные схемы могут меняться в зависимости от конкретной поставленной задачи и имеющихся источников низко-потенциального тепла.

Подводя итог, можно утверждать, что современные тепловые насосы могут найти очень широкое применение в городском строительстве, помочь решить многие проблемы современного централизованного теплоснабжения и в тоже время существенно увеличить уровень комфорта и улучшить экологическую ситуацию в существующем и новом жилом и офисном фонде.

Следует также отметить, что технология тепловых насосов имеет долгую историю  развития, начиная с пятидесятых годов прошлого века. Это хорошо освоенная технология, широко применяющаяся в жилищном и коммерческом строительстве целого ряда стран, особенно США, Европе и Японии.

ООО «ЭкоДом» является партнером Московского Завода Тепловой Автоматики (МЗТА), разрабатывающего и внедряющего различные варианты систем на базе тепловых насосов. Мы готовы предоставить все необходимое оборудование и услуги для решения практически любой задачи отопления, вентиляции и кондиционирования с использованием тепловых насосов.

 

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ СИСТЕМА ГОРОДСКОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

 

Суть предложений заключается во внедрении в массовом масштабе малых реверсивных тепловых насосов (ТН), которые устанавливаются в каждой квартире. При этом подключение дома к централизованной системе городского отопления осуществляется не к «прямой» трубе, а к «обратной», в которой температура воды 40 - 50°С.. Тепловые насосы, охлаждая эту воду, перекачивают тепло к воздуху помещения, температура которого ≈20°С.. В этом температурном интервале термическая эффективность ТН будет иметь значение 5-6. Потребление тепла из «обратной» воды позволяет подключить к перегруженным теплотрассам новых потребителей тепла.

Схема теплоснабжения показана на рисунке. На схеме показан источник тепла - «обратная» вода. Передача тепловой энергии в дом осуществляется через теплообменник, в котором до 45 °С нагревается теплоноситель. В качестве теплоносителя может использоваться антифриз, что гарантирует систему теплоснабжения дома от размораживания. Теплоноситель подается в каждую квартиру, где он через теплообменник-испаритель передает тепло фреону. Индивидуальные тепловые насосы (переоборудованные мульти сплит-системы, у которых на один компрессор приходится несколько воздушных теплообменников-конденсаторов) обеспечивают контролируемый процесс отопления всей квартиры. После раздачи тепла по этажам дома теплоноситель с температурой = 20 °С поступает в подвальное помещение, где установлен мощный ТН (один на подъезд или один на дом). Этот тепловой насос предназначен для утилизации остаточного тепла теплоносителя и нагрева этим теплом воды в баке-аккумуляторе до температуры 60 °С. Из бака вода поступает для горячего водоснабжения. В доме предусмотрена система принудительной вентиляции, которая использует горячий фреон после компрессора для нагрева воздуха, поступающего с низкой наружной температурой, и охлаждение холодным фреоном воздуха перед его удалением из здания. Последнее является очень важным достоинством новой системы отопления, поскольку домам с герметичными пластиковыми окнами необходима система принудительной вентиляции. Эта система может дополнительно включать фильтры, очищающие воздух.

Перечислим основные преимущества новой системы отопления, которые делают ее привлекательной для потребителей практически всех городов России.

■ Бытовой ТН приобретает новую функцию - высокоэффективной всесезонной отопительной системы, но при этом сохраняет функцию кондиционера. В жаркий период года ТН будет охлаждать воздух в помещениях, и тепло будет передавать теплоносителю, который по-прежнему будет циркулировать в трубах здания, несмотря на отсутствие «обратной» воды. Тепло, собранное теплоносителем в квартирах, поступает на вход ТН, подготавливающего горячую воду.

■ Жители домов с новой  отопительной системой будут иметь бесперебойное снабжение горячей водой питьевого качества.

■ Установка бытовых  ТН в квартирах позволит жителям контролировать потребление тепла по показанию электросчетчиков. Современные бытовые кондиционеры снабжаются автоматической управляющей системой, которая дает возможность пользователю программировать теплопотребление. К примеру, уменьшать температуру в помещении в ночное время и на время отсутствия жильцов. По опыту развитых стран, где используется такое локальное регулирование, оно дает снижение теплопотребления на 30 - 50%.