Тепловые насосы – «умножители тепла»
Опубликовано: 14 декабря 2010 г.
247
Е. Жуков
Системы отопления и ГВС, использующие тепловые насосы (ТН), в последнее время вызывают интерес и в России. Эти теплогенераторы способны утилизировать низкопотенциальное тепло окружающей среды и во всем мире рассматриваются в качестве экологически чистой и экономически обоснованной альтернативы традиционным газовым, твердои жидкотопливным, электрическим котлам. Так, в Германии к настоящему времени в теплоснабжении используется более 0,4 млн ТН. А во Франции даже в кризисном 2009-м, когда спад продаж составил 37 %, их было реализовано около 95 тыс.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Назначение теплового насоса (ТН) – собирать рассеянное в окружающей среде тепло и передавать его в помещение (или в систему ГВС). Для него действительны все законы генерации и передачи энергии, которая есть у любого физического объекта, имеющего температуру выше абсолютного нуля (–273 ˚С).
В основе работы ТН лежит цикл Карно: рабочее вещество с низкой температурой кипения, испаряясь в теплообменнике, забирает энергию в окружающем пространстве, а затем, сжатое компрессором и нагретое от этого, отдает тепло при новом фазовом превращении в другом теплообменнике – конденсаторе.
При этом коэффициент преобразования энергии (COP) – отношение теплопроизводительности к количеству электрической энергии, расходуемой на осуществление термодинамического цикла, может иметь различное значение, в зависимости от температуры источника низкопотенциального тепла и параметров системы его потребления. Как правило, оно находится в пределах 3–5.
Важная характеристика работы ТН, работающего в водяной системе теплоснабжения, – температура подачи, которая обычно составляет 50–65, а в некоторых моделях доходит до 85 ˚С. Чем ниже температура источника и чем выше температура подачи ТН, тем больше энергии требуется затратить на сбор и передачу тепла.
В бытовом (условно – до 100 кВт) сегменте отечественного рынка сегодня представлено довольно много компанийпроизводителей ТН, а также компонентов для систем на их основе. Это Buderus, Rehau, Stiebel Eltron, Vaillant, Viessmann, Waterkotte (Германия), Heliotherm, Herz Energietechnika, Ochsner (Авcтрия), Mammoth (США), G-Mar (Чехия), Mechmaster, Nibe (Швеция) и др. Они предлагают стандартизованное, готовое к использованию оборудование, сопровождая его инструкциями по проектированию, монтажу и при-менению, другой технической поддержкой.
Типы ТН
В соответствии с тем, откуда поступает тепло и какой среде передается, ТН разделяют на типы – «воздух–вода», «воздух–воздух», «грунт–воздух», «грунт–вода», «вода–вода», «вода–воздух».
В испарителе хладагент воспринимает энергию окружающей среды. В том случае, если это воздух, обустройство первичного контура не требуется, необходимо лишь обеспечить нужный теплосъем (площадь, производительность вентилятора, мощность компрессора). Возможны различные варианты установки воздушного ТН – как снаружи, так и внутри помещения, с использованием воздуховодов или, в случае рекуперации тепла вытяжного воздуха, каналов вентиляции. Широкое распространение герметичных окон повысило интерес именно к ТН последнего типа.
Воздушные ТН могут исполняться по двум схемам: «сплит» и «моно». В первом случае установка состоит из двух блоков (рис. 1), соединяемых трубопроводами. В наружном размещены вентилятор и испаритель, а внутренний, устанавливаемый в помещении, включает конденсатор, гидравлические элементы, автоматику управления. Компрессор может располагаться как в наружном, так и во внутреннем модуле.
В моноблоках все элементы объединены в одном корпусе. При размещении внутри помещения они сообщаются с наружной средой воздуховодом, а их мощность обычно не превышает 16 кВт. Есть моноблоки, допускающие как наружный, так и внутренний монтаж, например WPL (компания Stiebel Eltron).
Моноблок для наружной установки, рассчитанный на работу при температуре воздуха до –25 °С, был разработан, в частности, компанией G-Mar.
Наружный блок некоторых сплит-моделей, предназначенных для эксплуатации при низких температурах окружающего воздуха, может оснащаться системой парожидкостной инжекции хладагента, обеспечивающей теплоснабжение при низких температурах наружного воздуха.
В большинстве конструкций воздушных ТН тепло передается воздуху в помещении. Но встречаются и типы «воздух–вода», которые успешно применяются при модернизации уже существующих высокотемпературных систем водяного отопления. Например, ТН Vitocal 350-A компании Viessmann (рис. 2) сконструирован так, что температура подачи составляет 65 ˚С даже при –10 ˚С воздуха, а СОР (–2/35 ˚С) – 3,5. В нем установлен трехступенчатый радиальный вентилятор с пониженным уровнем шума, предусмотрено также каскадное объединение установок с соответствующим увеличением тепловой мощности.
Как правило, воздушные ТН предусматривают бивалентный моноэнергический (используется один энергоноситель) режим работы: производители комплектуют их дополнительными электрическими нагревателями. Двухкомпрессорные модели обеспечивают одновременную работу контуров отопления и ГВС.
ТН типа «грунт–вода» и «вода–вода» отбирают тепло из почвы или грунтовых вод. Такие системы решают главную проблему воздушных ТН – уменьшение производительности при низких температурах воздуха, когда бесперебойная работа отопления наиболее важна.
Не случайно общий объем производства ТН типа «грунт–вода», предназначенных для использования в отоплении вместо газовых и жидкотопливных котлов, составил в Европе примерно 125 тыс. в докризисном 2008 г., удвоившись буквально за два года. По прогнозам Мирового Энергетического Комитета к 2020 г. их доля в отоплении может достигнуть 75 %.
Такие системы часто рассчитаны на эксплуатацию в моновалентном режиме – ТН обеспечивает все теплопотребление здания. Производители предусматривают различные варианты повышения эффективности и надежности теплоснабжения, в том числе, при необходимости, каскадное подключение, двухступенчатые модели, эксплуатацию в моноэнергетическом бивалентном режиме, совместную работу с газовым, жидко- или твердотопливным теплогенератором.
Так, в корпусе ТН Vitocal 300-G типов «грунт–вода» и «вода–вода» объединены циркуляционные насосы внешнего и внутреннего контуров отопления и ГВС, а также 3-ходовой переключающий клапан. Максимальная производительность обеспечивается RCD-системой (оптимальное распределение нагрузки) с электронным расширительным клапаном. А для покрытия пиковых тепловых нагрузок предусмотрена проточная электронагревательная вставка со ступенями мощности 3/6/9 кВт. Возможно использование ТН в двухступенчатом варианте (Master/Slave), при котором управление ведомым модулем осуществляется через ведущий (рис. 3). Это позволяет увеличить мощность с 58,9 до 117,8 кВт.
Первичный контур
Существует два основных способа отбора низкопотенциального тепла земли – с помощью открытых и закрытых контуров. Под первым понимают использование энергии воды, например, подземной с доставкой ее на поверхность к испарителю, отбортепла и возврат в пласт или сброс в дренажную систему.
Во втором случае, предусматривающем применение промежуточных теплообменников и теплоносителей, низкозамерзающая жидкость (ее часто называют «рассол», хотя в настоящее время в основном применяется 25–30 % водный раствор моноэтиленгликоля) течет по трубе коллектора, расположенного в почве или водоеме и, увеличив свою температуру на 3–5 °С, поступает к теплообменнику, где отдает энергию рабочему веществу, возвращаясь затем циркуляционным насосом за новой ее порцией (рис. 4). Возможен также вариант, при котором коллектор первичного контура служит в качестве испарителя, где рабочее вещество непосредственно воспринимает энергию и промежуточный теплоноситель не используется.
Закрытые контуры обычно подразделяют на горизонтальные и вертикальные, обустройство которых обходится дороже. В то же время горизонтальные занимают большие площади. Трубопроводы горизонтальных теплообменников – прямые, петлеобразные, спиральные – размещают в траншеях или котлованах.
Встречаются и другие конструкции, например, трубопроводы, прикрытые сверху медными пластинками для улучшения теплообмена. Но любое размещение предполагает обязательный учет теплопроводности и теплоемкости грунта или объема подземных вод: никакой вариант конструкции не позволит получить с участка больше тепловой энергии, чем он может отдать и чем может быть восполнено кондукцией, конвекцией, радиацией и т.п.
При всем различии конструкций, источников энергии, наличии или отсутствии первичных и вторичных контуров можно выделить важнейшие элементы собственно ТН – рабочее вещество, компрессор и систему управления, оказывающие существенное влияние на эффективность и надежность работы установки.
Хладагенты
Рабочее вещество для большинства ТН – фреоны, фторсодержащие производные насыщенных углеводородов (главным образом, метана и этана). Это ГХФУ (гидрохлорфторуглероды), например, R 22, и ГФУ (гидрофторуглероды) – R 410А и R 407C. Последние дороже, требуют более высокого давления для конденсации (мощности компрессора), квалифицированных хранения, транспортировки, заправки и монтажа, но безопаснее для озонового слоя Земли. В состав R 407C, созданного в качестве альтернативы R 22, входят три фреона, и при его утечке необходима полная замена хладагента. R 410A считается условно изотропным, и ТН может быть легко им дозаправлен. Но, в отличие от R 22, который хорошо растворим в минеральном масле, новые хладагенты предполагают использование синтетического полиэфирного, быстро поглощающего влагу с потерей при этом своих свойств.
В качестве хладагента могут использоваться и другие вещества. Ряд специалистов считает перспективным диоксид углерода – R 744. Он применяется в ТН типа «грунт–вода/воздух» ПК «НПФ Экип» (Московская обл.).
Компрессор
Это «сердце» ТН, важнейшая и самая дорогостоящая его часть, обеспечивающая реализацию термодинамического цикла и потребляющая основное количество электроэнергии.
Первый компрессорный «умножитель тепла», в котором рабочим телом был воздух, был продемонстрирован лордом Кельвином (Великобритания) в 1852 г. Без совершенствования компрессора невозможно повышение эффективности и надежности работы ТН, использование экологически безопасных фреонов. Большое значение для потребителя имеет и снижение уровня его шумового воздействия.
По принципу работы различают поршневые (с возвратнопоступательным движением поршня), ротационные, винтовые (с вращательным движением роторов) и спиральные (с плоскопараллельным движением спирального элемента).
На особенностях последних есть смысл остановиться подробнее. Принцип спирального сжатия был разработан почти 100 лет назад, однако история его промышленного применения значительно короче. Спиральные компрессоры стремительно завоевали прочные позиции в ТН и кондиционерах, занимая по уровню использования второе место после роторных. Они относятся к одновальным машинам объемного принципа действия и могут работать как в режиме сжатия паров хладагента, так и их расширения (детандеры). Спиральный компрессор (рис. 5) более устойчив при аварийном попадании в него жидкого хладагента и загрязнений, чем поршневой, нет в нем и деталей, совершающих возвратно-поступательные движения и заметно влияющих на уровень шума (при переменных режимах работы он примерно в восемь раз меньше, чем у поршневого аналога). Обеспечение устойчивой работы воздушного ТН со спиральным компрессором при низких температурах достигается в ряде случаев дросселированием основного потока жидкого хладагента. Фактически одноступенчатый компрессор в этом случае превращается в двухступенчатый, имея два входа: низкого и промежуточного (инжекции) давлений.
Автоматика
Стандартный контроллер ТН осуществляет управление его работой (погодозависимое регулирование температуры в доме) и обычно имеет гибкую систему настроек. При подключении датчика комнатной температуры возможно регулирование как независимо от уличного датчика, так и совместно с ним. Автоматика поддерживает работу нескольких температурных контуров отопления и ГВС. А дополнительные устройства позволяют ТН в летнее время работать как рекуперационная установка или центральный кондиционер. Возможен также нагрев воды в бассейне.
Важно то, что в средней климатической зоне системы с ТН обычно используются в бивалентном режиме: ТН типа «воздух–воздух» и «воздух–вода» (да и геотермальные), как правило, комплектуются встроенными ТЭНами. Автоматика должна обеспечивать их включение при падении температур – наружной, внутренней или подачи – ниже заданного значения.
Например, в моделях компании Stiebel Eltron (Германия) встроенный блок управления обеспечивает приоритетное обеспечение контура ГВС, антибактериальную защиту, работу контура «теплого пола». Предусмотрены возможность подключения ПК и модема, системы учета теплопроизводительности и COP, нагрев воды для отопления до 60 °C и включение дополнительной электрической системы подогрева мощностью 8,8 кВт. А в ТН компании Nibe (Швеция) – дистанционное управление, цветной дисплей, USB-порт, а также возможность планирования работы системы и подключения к низкотемпературным и вспомогательным системам отопления.
Статья напечатана в журнале «Аква-Терм» #6(58) 2010