Тепловые насосы

 

Описанный метод  модернизации отопительной системы, основанный на технологии тепловых насосов в совокупности с другими системными мероприятиями - как-то: утепление зданий, прокладка новых теплотрасс с изоляцией из пенополиуретана - позволит снизить расходы топлива на отопление в 2 - 3 раза. Реализация этого подхода в целом по всей стране позволит уменьшить выбросы СО, на 300 -500 млн. тонн в год. Эту цифру можно сравнить с суммарным выбросом СО₂ всеми электростанциями Японии, который равен 302 млн. тонн. Учитывая сложившуюся в мире ситуацию с парниковым эффектом, модно рассчитывать на инвестиции международных фондов в развитие новой системы теплофикации в России.

 

Схема теплоснабжения

 

1 - резервуар для теплоносителя; 2 - теплообменник; 3 - всесезонная климатическая установка; 4 - воздушный теплообменник; 5 - кран горячей воды; 6 - воздушный теплообменник; 7 - теплообменник; 8 - тепловой насос; 9 - бак горячей воды; 10 - автоматический вентиль холодной воды; 11 - насос; 12 - двуходовой вентиль; 13 - насос; 14 - теплообменник; 15 - теплообменник; 16 - дополнительный электронагреватель; 17 - воздуходувка; 18 - магистральная труба с «обратной» водой.

 

Геотермальные тепловые насосы

На сегодняшний день геотермальный тепловой насос является наиболее эффективной энергосберегающей системой отопления и кондиционирования. Геотермальные тепловые насосы получили широкое распространение в США, Канаде и странах Европейского Сообщества. Геотермальные системы устанавливаются в общественных зданиях, частных домах и на промышленных объектах. Толчок к развитию эти системы получили после энергетических кризисов 1973 и 1978 годов. В начале своего развития они устанавливались в домах высокой ценовой категории, но за счет применения современных технологий геотермальные тепловые насосы стали доступны многим потребителям. Они устанавливаются в новых зданиях или заменяют устаревшее оборудование с сохранением или незначительной модификацией прежней отопительной системы.

К настоящему времени  масштабы внедрения геотермальных  тепловых насосов в мире ошеломляют:

• В США ежегодно производится около 1 млн. геотермальных тепловых насосов. При строительстве новых общественных зданий используются исключительно геотермальные тепловые насосы. Эта норма была закреплена Федеральным законодательством США.
• В Швеции 70% тепла обеспечивается тепловыми насосами. В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается геотермальными тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими как источник низкопотенциального тепла воды Балтийского моря с температурой + 8°С.
• В Германии предусмотрена дотация государства на установку тепловых насосов в размере 400 марок за каждый кВт установленной мощности.
• Общий объём продаж выпускаемых за рубежом ТН составляет 125 млрд. долларов США, что превышает мировой объём продаж вооружений в 3 раза.
• В мире по прогнозам Мирового Энергетического Комитета к 2020 году доля геотермальных тепловых насосов в теплоснабжении составит 75%.

 

Преимущества геотермальных систем:

• Экономичность и эффективность.

Низкое энергопотребление достигается за счет высокого коэффициента преобразования системы (от 3 до 7) и позволяет получить на 1 кВт затраченной энергии 3-7 кВт тепловой энергии на выходе. Система исключительно долговечна и прослужит до 30 лет без особого внимания к себе. Срок окупаемости оборудования обычно не превышает 7 лет.

• Гибкость.

Одна установка может контролировать отопление, охлаждение и нагрев воды.

• Комфорт.

В течение всего года создается желаемый климат в помещении, система работает устойчиво, колебания температуры и влажности минимальны. Отсутствует шум. Применяется мультизональный климатический контроль.

• Дизайн.

Установка занимает минимум  пространства и не нарушает целостность интерьера и концепцию фасада здания, так как нет внутреннего и внешнего блока.

• Экология.

Экологически чистый метод отопления и кондиционирования, так как используется возобновляемая тепловая энергия земли. В окружающую среду не выделяется вредных веществ.

• Надежность.

Надежное и долговечное  оборудование, имеет срок службы до капитального ремонта более 15 лет. Работает полностью в автоматическом режиме. Обслуживание установок заключается в сезонном техническом осмотре и периодическом контроле режима работы.

• Безопасность.

Установки даже высокой  мощности имеют высокую степень  безопасности, так как не связанны с горючими или взрывоопасными материалами, процессами горения, высокими температурами.

 

Принцип работы

Геотермальная теплонасосная  система работает как котел при  отоплении и как кондиционер  при охлаждении. Работа теплового  насоса осуществляется в компрессионно-конденсаторном цикле. Теплоноситель (обычно вода) подается из земли или водоема в тепловой насос, где низко-потенциальное тепло Земли отбирается и передается по системе воздуховодов или трубопроводов к потребителю. В качестве низкопотенциального источника тепловой энергии может быть использовано тепло как естественного происхождения (наружный воздух; тепло грунта, тепло грунтовых и геотермальных вод; воды рек, озер, морей и других незамерзающих природных водоемов), так и тепло техногенного происхождения (вентиляционные выбросы, промышленные сбросы, очистные сооружения, тепло силовых трансформаторов и любое другое бросовое тепло). Цикл осуществляется с помощью электрического двигателя. Электричество приводит в действие электродвигатель, от которого механический момент передается на компрессор. Инициируется термодинамический цикл и тепло, накопленное землей или водоемом, отбирается теплообменниками теплового насоса. Электрическая энергия затрачивается только на перекачивание жидкости, но ничего удивительного в получении дополнительной энергии нет, т.к. используется уже накопленное Землей тепло. Сегодня тепловые насосы выпускаются тепловой мощностью от 2 кВт до 200 МВт.

 

Сведения о некоторых  источниках низкопотенциального тепла (ИНТ)

ИНТ	Среда промежуточного контура	Температура источника, °С
Грунтовые воды	вода	8..10
Грунт	рассол	2..10
Речная и озерная  вода	рассол	3..15
Канализационные стоки	вода	10..20
Окружающий воздух	воздух	5..20
Вытяжной воздух	воздух	15..25

 

 

Область применения тепловых насосов

Тепловые насосы нашли  широкое применение в различных  отраслях промышленности, жилом и  общественном секторах:

• в общественных зданиях с кондиционированием воздуха обычно применяют реверсивные тепловые насосы, обеспечивающие охлаждение воздуха в теплый период и нагревание в холодный период года;
• в жилищно-коммунальном секторе с помощью ТН может осуществляться автономное теплоснабжение коттеджей и отдельных зданий для отопления и горячего водоснабжения, а так же осуществляется кондиционирование в летний период года;
• на промышленных предприятиях различных отраслей тепловые насосы применяют для утилизации теплоты низкопотенциальных технологических выбросов, водооборотных систем и стоков, с целью использования такого тепла для теплоснабжения, отопления и горячего водоснабжения. При необходимости используется и вырабатываемый тепловыми насосами холод.

 

 

Варианты применения геотермальных  тепловых насосов.

 

1. Тепловые насосы открытого цикла используют грунтовые или поверхностные воды как главный источник энергии. Теплоноситель подается непосредственно из водоема, и после прохождения цикла, охлажденным возвращается обратно. При идеальных условиях, использование ТН с открытым циклом может быть наиболее экономичным типом геотермальной системы.

2. Тепловые насосы с закрытым водоемным циклом крайне экономичны, так как при установке используется доступный водоем или река, и отсутствуют затраты на земляные работы. Спирали труб просто помещаются на дно водоема или реки.

 

3. Тепловые насосы с горизонтальным теплообменником рассматриваются лишь при наличии поверхности необходимой площади. Замкнутый контур теплообменника укладывается горизонтально в глубокие (1,5 метра) траншеи, длина которых варьируется от 100 до 300 метров.

4. Замкнутый контур теплообменника в виде U-образной трубки устанавливается вертикально в подготовленные отверстия-скважины малого диаметра глубиной 25-100 метров. Применяется в тяжелом грунте или при ограниченности участка.

5. Использование солнечных коллекторов совместно с тепловым насосом.

Солнечные коллекторы и  искусственные соляные водоемы  используются как дополнительные источники  тепла и прекрасно дополняют  тепловые насосы 6 месяцев в году (с апреля по сентябрь).

 

Схема применения геотермального теплового насоса для отопления и горячего водоснабжения индивидуального дома.

 

Данная схема содержит резервные пиковые электрические  подогреватели для контура отопления  и приготовления горячей воды, а так же солнечный коллектор.

1. Тепловой насос с контроллером.

2. Циркуляционный насос первичного  контура (рассол).

3. Циркуляционный насос вторичного  контура (вода).

4. Трех ходовой переключающий  клапан.

5. Буферный аккумулятор и нагреватель  сетевой воды.

6. Верхний датчик температуры  контура отопления.

7. Нижний датчик температуры  контура отопления.

8. Циркуляционный насос системы  отопления.

9. Датчик температуры горячего  водоснабжения.

10. Система дополнительного электронагрева.

11. Датчик температуры отопления.

12. Датчик температуры буферного  аккумулятора.

13. Циркуляционный насос коллектора.

14. Датчик температуры коллектора.

15. Система электронного регулирования.

 

Примеры применения тепловых насосов

 

Экспериментальный энергоэффективный  дом в Никулино-2 (Москва)

 

В Москве, в микрорайоне Никулино-2 фактически впервые была построена  теплонасосная система горячего водоснабжения многоэтажного жилого дома. Этот проект был реализован в 1998-2002 годах Министерством обороны РФ совместно с Правительством Москвы, Минпромнауки России, Ассоциацией "НП АВОК" и ОАО "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ" в рамках "Долгосрочной программы энергосбережения в г. Москве". Проект выполнен под научным руководством доктора технических наук, член-корреспондента РААСН Ю. А. Табунщикова.

Тепловой узел горячего водоснабжения  запроектирован на каждую секцию жилогодома, содержащую 64 квартиры и рассчитанную на 224 жителя. Число этажей – 17. Тепловой узел горячего водоснабжения предназначен для подогрева водопроводной воды до температуры, предусмотренной СНиП 2.04.01-85*.

Нагрузка горячего водоснабжения:

Максимальный часовой расход горячей  воды, м.куб.\час – 4.47, соответствующая  тепловая нагрузка, кВт. – 282.

Средний за сутки часовой расход горячей воды, м.куб.\час – 1,07, соответствующая тепловая нагрузка, кВт. – 79,2.

Как видно по суточному графику  разбора воды, максимальная нагрузка почти вчетверо превышает среднюю. Из соображений снижения капитальных  затрат на наиболее дорогое оборудование (тепловые насосы), была принята схема с суточными аккумуляторами горячей воды. Расчетный срок окупаемости за счет экономии эксплуатационных затрат 4 года.

В качестве низкопотенциального источника  тепловой энергии для испарителей  тепловых насосов используется тепло  грунта поверхностных слоев Земли, а также тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Такая система также допускает использование в качестве низкопотенциального источника тепловой энергии тепло сточных вод. Установка для подготовки горячего водоснабжения расположена в подвале здания. Она включает в себя следующие основные элементы:

- парокомпрессионные теплонасосные установки (ТНУ);

- баки-аккумуляторы горячей воды;

- системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта и низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха;

- циркуляционные насосы, контрольно-измерительную аппаратуру.

Основным теплообменным элементом  системы сбора низкопотенциального  тепла грунта являются вертикальные грунтовые теплообменники коаксиального  типа, расположенные снаружи по периметру здания. Эти теплообменники представляют собой 8 скважин глубиной от 32 до 35 м каждая, устроенных вблизи дома.

Система сбора низкопотенциального  тепла удаляемого вентиляционного  воздуха предусматривает устройство в вытяжных вентиляционных камерах теплообменников-утилизаторов, гидравлически связанных с испарителями теплонасосных установок. В этом случае обеспечивается более глубокое охлаждение вытяжного воздуха и использование его тепла в тепловых насосах для получения горячей воды.

Система решена следующим образом. Из вентиляционных шахт удаляемый воздух собирается в коллектор и из него вытяжным вентилятором прогоняется через теплообменник-утилизатор, охлаждается и выбрасывается в атмосферу. Теплообменник-утилизатор связан с испарителем теплового насоса промежуточным контуром при помощи циркуляционного насоса. От конденсатора теплового насоса полезное тепло отводится в систему горячего водоснабжения.

Поскольку режим работы тепловых насосов, использующих тепло земли и тепло  удаляемого воздуха, постоянный, а потребление горячей воды переменное, система горячего водоснабжения оборудована баками-аккумуляторами.