Тепловые насосы

С 1 января 2011 года в Нижегородской области и других регионах страны произошло плановое увеличение стоимости газа для потребителей. Программа ежегодного повышения стоимости газа рассчитана до 2014 года, так что прошедшее повышение не станет последним. Это значительно уменьшает популярность газа как самого дешевого вида топлива для отопления жилых домов. А кроме того, следует учитывать существенные затраты на подключение к газовой магистрали.

За рубежом большое значение придается альтернативным видам теплоснабжения. Например, использование тепловых насосов для отопления домов хорошо показало себя в США, Германии, Швеции и Финляндии. В основном применяются установки, использующие потенциальную энергию земли и водных источников.

Тепловые насосы заняли свою нишу и на климатическом рынке России среди других популярных технологий.

Принцип работы теплового насоса

Тепловые насосы — климатическое оборудование, способное утилизировать тепло окружающей среды, с помощью компрессора поднимать температуру теплоносителя до нужного уровня и передавать это тепло туда, где оно необходимо. Из окружающей среды практически всегда можно извлечь тепло. Поскольку тепло переходит только от более

нагретого тела к более холодному, то тепло можно определенным способом направить от холодного тела к теплому, и как следствие холодное тело еще больше остынет, а теплое нагреется.

Используя тепловой насос, который «выкачивает» тепло из воздуха, речной воды или земли, еще более понижая их температуру, можно обогреть здание, если источник энергии имеет достаточные размеры. Исследования показали, что, затрачивая на работу 1 кВт электроэнергии, тепловой насос может произвести от 3 до 6 кВт тепловой энергии. На практике это означает, что, затратив мощность двух-трех лампочек накаливания, в зимний период можно снабдить теплом жилую комнату средних размеров. Летом, работая в обратном режиме, тепловой насос может охлаждать воздух в помещениях здания. Тепло из здания будет удаляться, поглощаясь атмосферой, рекой или землей.

В настоящее время имеется очень большое разнообразие насосов, что позволяет широко применять их в промышленности, сельском хозяйстве, в ЖКХ. 

Классификация и применение тепловых насосов

Тепловые насосы имеют различную выходную мощность — от нескольких киловатт до сотен мегаватт. Они могут работать с разными источниками тепла, находящимися в разных агрегатных состояниях.

Типы тепловых насосов:

• вода-вода,
• вода-воздух,
• воздух-вода,
• воздух-воздух.

Тепловые насосы производятся для работы с источниками разных температур, вплоть до отрицательной. Они могут использоваться в качестве приемника высокопотенциального тепла, требующего различной температуры, даже выше 1 000 С.

В зависимости от этого тепловые насосы могут быть:

• низкотемпературными,
• среднетемпературными,
• высокотемпературными.

По техническому устройству выделяют два направления:

• парокомпрессионные,
• абсорбционные.

Тепловые насосы могут использовать и другие виды энергии, кроме электрической, например, они могут работать на различных видах топлива.

Комбинации видов источников низкопотенциального тепла и приемников высокопотенциального тепла, позволяющие реализовать различные варианты применения насосов:

• насос, использующий тепло грунтовых вод для отопления;
• насос, использующий тепло естественного водоема для горячего водоснабжения;
• насос-кондиционер воздуха, использующий морскую воду в качестве источника и приемника тепла;
• насос-кондиционер воздуха, использующий наружный воздух в качестве источника и приемника тепла;
• насос для нагрева воды плавательного бассейна, использующий тепло наружного воздуха;
• насос, утилизирующий тепло сточных вод в системе теплоснабжения;
• насос, утилизирующий тепло инженерно-технического оборудования в системе теплоснабжения;
• насос для охлаждения молока и одновременно нагрева воды для горячего водоснабжения на молочных фермах;
• насос для утилизации тепла от технологических процессов в первичном подогреве приточного воздуха.

В случае, если на объекте предусматривается применение нескольких тепловых насосов, которые будут предназначены для производства как тепла, так и холода, эффективность их работы многократно возрастет, если они будут объединены в единую систему.

Это так называемые кольцевые системы тепловых насосов. Такие системы целесообразно использовать на средних и крупных объектах. Все теплонасосные установки — реверсивные, то есть они обладают возможностью охлаждать и нагревать воздух. Система имеет общий контур с циркулирующей водой. Вода является одновременно и источником,

и приемником тепла для всех установок. Температура в контуре может изменяться в пределах от 18 до 320 С.

 Между тепловыми насосами, которые нагревают воздух, и теми, которые охлаждают его, происходит обмен теплом посредством водяного контура. В зависимости от особенностей помещений, а также от времени года и времени суток — в разных помещениях может требоваться либо нагрев, либо охлаждение воздуха. При одновременной работе в одном здании тепловых насосных установок, производящих тепло и холод, происходит перенос тепла из помещений, где его избыток, в помещения, где его не хватает, что позволяет производить обмен теплом между зонами, объединенными в единое кольцо. Если на объекте имеются достаточные потребности в тепле, через кольцевую систему можно эффективно утилизировать бросовое тепло. К примеру, при наличии интенсивного потока сточных вод имеет смысл установить теплонасосную установку вода-вода, которая позволит утилизировать тепло сбросов с помощью кольцевой системы. Такой тепловой насос сможет извлекать тепло из сточных вод, передавать его с помощью кольцевого контура, а затем использовать для обогрева помещений. Воздух, удаляемый из здания вытяжной вентиляцией, также содержит большое количество тепла, которое может быть вторично использовано при отсутствии в вытяжном воздухе большого количества примесей, затрудняющих работу установки. Процесс утилизации в данном случае может происходить эффективнее, так как не зависит от температуры наружного воздуха, забираемого приточной вентиляцией, и от устанавливаемой температуры нагрева воздуха, нагнетаемого в помещения. В теплое время года при помощи тепловых насосов излишки тепла в водяном контуре утилизируются через потребителей, имеющихся на объекте.

Использование кольцевой системы вместе с системой отопления не порождает подобных проблем, так как ее работа полностью зависит от фактического состояния микроклимата в каждой отдельной зоне. На промышленных предприятиях кольцевые теплонасосные системы могут участвовать в нагреве или охлаждении воды или воздуха в технологических целях.

Кольцевая система решает комплексно задачу отопления, во многих случаях позволяя сделать утилизацию тепла более эффективной. Еще одно преимущество подобных систем: тепловые насосы не требуют сложных средств автоматизированного управления. Все регулирование здесь сводится лишь к поддержанию определенного значения температуры воды в контуре. Чтобы не допустить охлаждения воды ниже заданного предела, необходимо вовремя включать дополнительный нагреватель. И наоборот, чтобы не превысить верхний предел, надо своевременно включать градирню. Автоматическое управление этим несложным процессом можно реализовать при помощи нескольких термостатов.

Процесс поступления тепла от теплового насоса к потребителю контролируется за счет автоматики, встроенной в каждый тепловой насос. Тепловой насос полностью обеспечивает необходимые температурные параметры воздуха в помещениях, что позволяет отказаться от регулирующих заслонок в системе вентиляции и регулирующей арматуры в системе отопления. Эти обстоятельства способствуют снижению стоимости и повышению надежности инженерных систем в целом.

На крупных объектах, где кольцевая система включает в себя большое количество тепловых насосов и где установлены разнотипные теплонасосные установки (для кондиционирования, утилизации тепла и для обеспечения технологических процессов), часто имеет смысл реализовывать более сложную систему автоматизированного управления, которая позволяет оптимизировать работу всей системы.
 

Факторы, влияющие на эффективность работы тепловых насосов:

• температура источника энергии.

От нее зависит отношение количества выдаваемого потребителю тепла к количеству потребляемой тепловым насосом энергии;

• температура наружного воздуха. От этого зависит количество необходимого тепла для нужд отопления;
• количество работающих в данный момент в системе тепловых насосов. Здесь значение имеет суммарная - мощность установок, забирающих тепло из водяного контура, по сравнению с мощностью всего оборудования, отдающего тепло в контур, то есть количество тепла, поступающего в контур или удаляемого из него.

Кольцевые теплонасосные установки можно использовать на самых разных объектах. Это административные, общественные здания, медицинские и оздоровительные учреждения, дома отдыха, развлекательные и спортивные комплексы, различные промышленные предприятия.

Разработка такой системы, прежде всего, должна начаться с оценки потребности в тепле и холоде проектируемого объекта и изучения всех возможных источников тепла внутри здания и всех предполагаемых потребителей тепла, определения теплопритоков и теплопотерь.  Наиболее пригодные из источников тепла могут быть использованы в кольцевой системе в том случае, если это тепло будет востребовано. Общая мощность утилизирующих тепловых насосов не должна быть бесполезно избыточной.