Тепловой насос применение: Области применения тепловых насосов | Atmosfera™. Альтернативные источники энергии. Солнце. Ветер. Вода. Земля.

Области применения тепловых насосов — Новые Системы и Альтернативы

Современная наука плотно занимается вопросом сохранения не возобновляемых ресурсов и разработки систем, способных преобразовывать энергию неиссякаемых источников — солнца, воздуха, земли, воды – в ресурсы для жизнедеятельности человека, такие как отопление и водоснабжение.

Активное внедрение новых методов происходит во всех цивилизованных странах мира. Одним из современных устройств, позволяющих потреблять тепло и горячую воду с минимальными энергозатратами, является тепловой насос. Такая установка широко популярна на Западе, в России и европейских странах.

Конструкция теплового насоса

Тепловой насос – преобразователь низкопотенциальной энергии в тепло. Иными словами, такое устройство способно для получения тепла задействовать возобновляемый потенциал ресурсов.

К примеру, грунт, вода и даже воздух хранят в себе потрясающий тепловой потенциал. Обнаружить и использовать его возможно при помощи определенных физических преобразований. Таким образом, низкопотенциальная тепловая энергия становится высокопотенциальной.

Тепловой насос – это установка, в которой между собой сообщаются три контура. Первый контур называют коллектором. Его функция – поглощение и доставка низкопотенциальной энергии из воды, грунта или воздуха при помощи циркулирующего антифриза, незамерзающей жидкости-теплоотдатчика. Антифриз собирает тепло и передает его во второй контур, непосредственно, внутрь теплового насоса.

По второму контуру циркулирует теплообменник – хладагент, или углекислота или углеводороды. По мере движения хладагента по контуру тепловая энергия преобразуется в тепло, которое могут потреблять приборы – котлы, радиаторы, сплит-системы и прочие.

Третий контур как раз и есть те самые отопительные и водонагревательные приборы, установленные внутри здания. То есть, системы, которые используются для подачи тепла и воды в дом или промышленный цех.

Главное преимущество теплового насоса – получение большего количества тепловой энергии с использованием меньшего количества электроэнергии из сети. Соотношение между ними может быть впечатляющим. К примеру, против 2 кВт, ограниченно поставляемых муниципальными сетями в дачные поселки, тепловой насос может выработать 4-6 кВт тепла в зависимости от мощности.

Мы расскажем, как работает тепловой насос. Это не волшебное устройство, чудесным образом приумножающее энергию, но достижение высоких технологий нашей с вами эпохи.

Как работает тепловой насос

На самом деле, тепловой насос – это не вновь изобретенный велосипед. По принципу действия он напоминает холодильник, только работает в обратную сторону.

Тогда как холодильник выводит наружу тепло от вновь поставленных продуктов и после открытия дверцы в холодильной и морозильной камере для поддержания низкой температуры, тепловой насос, наоборот, заводит тепло внутрь. Но принцип работы один и тот же, за исключением некоторых нюансов.

Элементами связки в теплонасосной установке являются испаритель, компрессор, конденсатор, расширяющий клапан дроссель. Это и есть тот самый второй контур установки, о котором шла речь выше.

Когда теплоотдатчик первого контура – антифриз – поставляет низкопотенциальную энергию в тепловой насос, хладагент с низким давлением после прохождения дросселя попадает в испаритель. Под воздействием испарителя углекислота или углеводород испаряется, поглощает тепло и принимает газообразную форму, благодаря тому, что имеет низкую температуру кипения.

В таком состоянии вещество доходит до компрессора. В компрессоре хладагент (углекислота или углеводороды) сжимается, набирает температуру и попадает в конденсатор, откуда после передачи тепла третьему контуру следует уже в жидком охлажденном состоянии. В это время теплоотдатчик совершает новый круг забора тепловой энергии и вновь передает низкопотенциальную энергию второму контуру. Далее цикл передвижения веществ, в науке называемый циклом Карно, повторяется еще и еще.

С помощью теплового насоса можно охлаждать помещение, если подключить систему в обратном порядке. Первый контур будет забирать тепло из здания, и выпускать его наружу через второй контур. Зная схему работы теплового насоса, вы уже можете себе представить, в какой последовательности будет двигаться хладагент-теплообменник.

Типы теплового насоса

В настоящее время все тепловые насосы делят на два основных типа – геотермальные и аэротермальные. Они используют разные источники забора низкопотенциальной энергии.

Геотермальные тепловые насосы

Это теплонасосные установки, первый контур которых монтируется на участке в земле или водоемах.

То есть, в данном случае используется энергия грунта, грунтовых и наземных вод. Поскольку температура такой энергии очень низкая, необходимо устройство, которое может повысить ее до оптимальной для водонагрева и отопления температуры 50-100 градусов. Именно для этого и предназначены геотермальные теплонасосные установки.

Трубопровод для геотермальных тепловых насосов можно устанавливать горизонтально, используя максимум свободной площади участка, или вертикально, применяя под установку минимум пространства за счет большой глубины скважин и установки вертикального модульного коллектора коаксиального типа.

В настоящее время геотермальные тепловые насосы не пользуются большой популярностью из-за высокой стоимости монтажа. Чтобы монтировать такую установку, необходимо специальное буровое оборудование или землекопное оборудование в зависимости от типа установки.

Аэротермальные тепловые насосы

Значительную долю рынка у геотермальных моделей отвоевали аэротермальные установки, или воздушные. Они более легкие в монтаже и менее дорогостоящие, не требующие специального оборудования.

Экономия аэротермальных теплонасосных установок состоит еще и в том, что для их работы не нужен массивный трубопровод из недешевых и громоздких труб с циркулирующим теплоотдатчиком. Забор наружного воздуха осуществляется посредством насоса.

Моновалентные и бивалентные системы отопления

Системы отопления делятся на моновалентные и бивалентные. Их разница состоит в возможности или невозможности взаимодействия разных отопительных установок.

Само определение таких систем подразумевает то, что в моновалентных системах существует только один источник выработки тепла. Тогда как в бивалентных отопительных системах спокойно могут сосуществовать и взаимодействовать две установки. Например, газовый котел и тепловой насос.

Бивалентные системы отопления, как минимум, в 2 раза эффективнее и надежнее моновалентных систем. Одна из причин – возможность перерабатывать энергию в условиях любой температуры. К примеру, тепловой насос может преобразовывать низкопотенциальную энергию грунта и воздуха при температуре до -25 градусов. При более низкой температуре компенсировать недовыработанное насосом тепло можно с помощью газового или жидкотопливного котла.

Преимущества теплового насоса

В сравнении с другими отопительными системами у теплонасосных установок насчитывается масса преимуществ. Подытоживая информацию о принципе работы тепловых насосов, определим основные выгоды, которые можно получить, установив такое устройство в загородном доме или на даче:

1. Постоянный поток энергии. Тепловой насос использует возобновляемый природный источник для получения тепла.

2. Экономия. В процессе работы теплового насоса набираются небольшие растраты электроэнергии и, соответственно, средств на оплату коммунальных услуг. Питание необходимо, по большей части, компрессору, который сжимает хладагент.

3. Экологичность. Тепловой насос не требует топлива, поэтому не загрязняет окружающую среду, работает без шума, пыли и не выделяет посторонних запахов. Даже хладагент фреон, будучи вредным, заменен на безвредные вещества углекислоту и углеводороды.

4. Эргономичность. Установленный тепловой насос не занимает много места. В особенности, если это аэротермальная установка, не требующая свободного пространства для организации полей забора энергии.

5. Универсальность. Тепловой насос может работать в двух направлениях – на отопление и кондиционирование.

6. Долговечность. Срок службы тепловых насосов составляет 10 лет и более.

7. Неприхотливость. Тепловой насос работает без дополнительного технического обслуживания. Максимум, что может понадобиться в течение всех лет его эксплуатации, — плановый осмотр.

8. Высокая эффективность. Тепловой насос имеет КПД, равный 300%.

Среди других достоинств тепловых насосов стоит отметить безопасность и возможность применения в любом помещении. Для такой установки не нужно хранить пожароопасные вещества типа топлива. Ровно так же с тепловым насосом не страшна утечка газа.

Тепловой насос можно применять для отопления, водоснабжения и кондиционирования любого здания, будь то промышленность или частный дом. Диапазон мощностей таких установок весьма широк.

И чтобы ваше представление о тепловых насосах не было заоблачным, отметим недостатки. Это высокая стоимость установки и, несмотря на потребление энергии возобновляемых ресурсов, необходимость в сетевом электричестве.

Тем не менее, тепловой насос окупается относительно быстро — за скромный срок 3-5 лет. Тогда как продолжительность эксплуатации таких устройств насчитывает 12-15 лет, что позволяет не только окупить, но и далее существенно сократить расходы на тепло и горячую воду.

Источники тепла для теплового насоса

Одно из преимуществ теплового насоса, которое мы упоминали, связано с использованием и переработкой энергии возобновляемого источника. В разных случаях и условиях строительства используют тепло грунта, скважины, водоема и воздуха. Мы решили объединить источники в таблице, указав особенности монтажа, преимущества и недостатки каждого из вариантов.

Источник	Монтаж	Преимущества	Недостатки
Грунт	Первый контур теплового насоса – коллектор. Он укладывается в грунт на определенной глубине, но не выше уровня промерзания. При покупке и монтаже оборудования учитывают необходимую мощность, состояние грунта и уровень солнечной радиации.	Температуры грунта стабильны. Монтаж горизонтального коллектора не требует бурения и, соответственно, больших расходов. Расположение коллектора не препятствует ведению садоводческой деятельности.	Чем суше грунт, тем мощнее и дороже должен быть первый контур теплового насоса. Коллектор занимает много пространства на участке. По техническим причинам над коллектором нельзя возводить постройки, поскольку сооружения могут препятствовать восстановлению тепловых запасов грунта.
Скважина	Первый контур теплового насоса – коллектор, но в виде геотермального зонда. Он располагается вертикально и имеет вид неразборного модуля с коаксиальными трубками. Для установки бурят одну или несколько скважин глубиной до 100 м. Перед покупкой и монтажом оборудования рассчитывают глубину с учетом необходимой мощности и состояния грунта.	Занимает минимум места, поэтому хорош для маленьких участков. Температура в скважине стабильна.	Монтаж требует больше денежных средств, поскольку для бурения используют специальную технику и инструмент, привлекают специалистов.
Водоем	Первый контур теплового насоса, как в случае с грунтом, — горизонтальный коллектор. Он укладывается на дно водоема и фиксируется специальными грузами. Перед покупкой и установкой оборудования рассчитывают требуемую мощность и количество труб в коллекторе, учитывают уровень солнечной радиации.	Температура воды стабильна. Такая установка не занимает места на участке и не требует больших расходов на монтаж.	Обязательное условие – расположение водоема на расстоянии не более 50 м.
Воздух	Первый контур такого теплового насоса – это, непосредственно, сам насос с испарителем, компрессором, конденсатором и расширительным клапаном. Монтаж коллектора не требуется. Перед установкой рассчитывают требуемую мощность с учетом климатических особенностей конкретного региона.	Самая простая в конструкции и монтаже установка, не требующая дополнительных затрат на коллектор, специальный инструмент и условия.	Зависимость от температуры воздуха, которая может сильно колебаться в холодных регионах.

Итак, преимущества и недостатки разных тепловых насосов очевидны. При выборе той или иной установки необходимо опираться на условия участка, особенности климата, бюджет и требования к мощности. Большую роль играют обстоятельства. К примеру, если возле участка расположен водоем, то было бы недальновидно не воспользоваться таким бесплатным ресурсом.

Важно, планируете ли вы использовать тепловой насос, как альтернативный запас тепла, или как полноценный источник отопления и горячего водоснабжения. Для постоянного снабжения теплом в требуемом количестве частного дома необходима надежная мощная установка, способная подавать тепло круглый год без перебоев.

Особенности применения грунта как источника тепла

Грунт является одним из самых эффективных источников низкопотенциальной энергии. Установлено, что в зимнее время года из недр земли на глубине 3-8 метров можно без применения дополнительных мер заполучить количество энергии, необходимое для отопления 2-3 кв. м. Тогда как в летний период можно с помощью аккумуляции извлечь из грунта количество энергии, которая позволила бы отопить 10 кв.м. помещения.

Были сделаны расчеты рабочего тела – антифриза, необходимого для забора энергии, и площади грунта, необходимо для отопления и горячего водоснабжения отдельного дома. Результаты оказались очень оптимистичными.

К сожалению, теоретические данные не совпадают с реальностью из-за динамики температур, которая оказывает серьезное влияние на распределение тепла и, соответственно, на количество забираемой энергии.

Почему за основу взята именно глубина грунта 3-8 метров? На основании многочисленных исследований, в ходе которых было установлено, что именно такой диапазон глубин более подвержен изменению температур под влиянием изменения температуры воздуха. Разница температур может в разное время года составлять 7 градусов и более. При этом существует минимально допустимая температура, занижение которой может стать причиной остановки в работе теплонасосной установки. Но именно глубина грунта 3-8 метров является наиболее приемлемой и экономичной для монтажа коллектора теплового насоса.

Сегодня достаточно популярны паровые тепловые насосы, в которых применяются хладоны различных марок. Марку хладона выбирают в зависимости от температурного режима в цикле преобразования энергии. Паровые тепловые насосы являются примером того, насколько сильна зависимость от температурного режима. Занижение нормы негативно сказывается на их работе и служит причиной отключения насосных установок.

В ходе очередных геологических и инженерных исследований было установлено, что грунт на глубине залегания более 8 метров проявляет инертность в плане динамики температур. Тепло более или менее равномерно рассеивается в толще грунта. Разность температур составляет приблизительно 2 градуса. Причина – влияние более глубоких слоев грунта на этот грунтовый слой. Но такая глубина не является комфортной из-за большого сопротивления грунта и затратна для монтажа.

Факт влияния глубины грунта, времени года и, следовательно, динамики температур на эффективность работы теплового насоса получил серьезные доказательства. Их нашли инженеры в ходе замеров температур грунта, проводимых в течение одного года на разных глубинах.

Стало совершенно очевидно, что мощности теплового насоса рассчитывают с учетом именно этих показателей. Для выполнения правильных расчетов необходимо проведение исследований на участке, термодинамического и технико-экономического анализа, как отдельного оборудования, так и установок в целом.

Для наглядности ниже приведем формулу равенства баланса тепла, поглощенного коллектором из грунта и полученного рабочей средой насоса, с показателями динамики температур (высчитывается интегрально) и расхода тепла через сечение коллектора.

, где:

Т – текущая температура рабочей среды;

Tg – температура грунта;

R – суммарная величина сопротивления отдачи тепла из коллектора тепловому насосу;

Cr – теплоемкость рабочей среды;

М – расход тепла в поперечном сечении коллектора;

dT – динамика температуры на конкретном участке.

От чего зависит температура грунта? Не только от глубины. На температуру грунта влияет множество факторов:

• Тип и состав грунта;

• Характер и объем растительности;

• Объем и характер осадков;

• Геология местности;

• Климатические условия региона;

• Глубина залегания грунтовых вод и др.

Таким образом, природные особенности и взаимосвязи играют важную роль в установке теплового насоса. Чтобы эффективность теплонасосных установок была наибольшей, необходимо концентрировать низкопотенциальную энергию.

Для этого удобно и эффективно использовать энергию грунтовых вод. Подземные потоки, как любая вода, обладают хорошими теплофизическими свойствами. В ходе расчетов установлено, что для отопления дома площадью 250 кв.м. с помощью теплового насоса необходимо всего 10 куб.м. подземных вод/ч. То есть, КПД теплового насоса может составить 260-270%. При том, что испаритель при таких условиях будет обладать достаточной компактностью и простой изготовления.

Для концентрации низкопотенциальной энергии грунта также можно применять термосифоны. Исследования подтверждают, что увеличение диаметра трубы термосифона уменьшает сопротивляемость грунта отдаче тепла, в том числе, на большой глубине.

Результаты многочисленных опытов, замеров, исследований и практики позволяют сделать вывод, что разработка тепловых насосов находится далеко не на завершающей стадии. Возможно, через несколько лет удастся значительно увеличить площадь грунта для забора низкопотенциальной энергии, найти пути более точного расчета запаса энергии в грунте и требуемой мощности теплонасосных установок.

Тем самым, еще больше сократить расходы электроэнергии, увеличить количество потребляемого тепла, продлить срок службы тепловых насосов и сэкономить народные средства, необходимые для оплаты отопления и горячего водоснабжения.

Индивидуальное применение тепловых насосов

Тепловые насосы все чаще применяют в частном секторе для отопления и горячего водоснабжения коттеджей, частных домов, таунхаусов, дуплексов, дач и других жилых помещений. Выгода состоит не только в экономии электроэнергии, но также в возможности вообще не зависть от коммунальных услуг муниципалитета.

Еще несколько преимуществ установки тепловых насосов. Прежде всего, стоит отметить универсальность таких систем. Зимой тепловой насос может работать, как обогрев и нагреватель воды, летом — как кондиционер, но при этом снабжающий дом горячей водой. Теплонасосная установка хорошо взаимодействует с теплыми полами и может обогревать бассейн.

На даче такая установка может стать полезной не только для отопления домика, но также для отопления теплиц в зимнее время года.

Установка тепловых насосов осуществляется в короткие сроки. Для монтажа теплонасосной системы отопления не нужно посещать жилищно-коммунальные структуры, чтобы согласовать это мероприятие.

Тепловые насосы в промышленности и муниципалитете

Тепловые насосы устанавливают в промышленные цеха, на склады и завода. Их с успехом используют в фермерском хозяйстве, и для отопления теплиц в сельскохозяйственной сфере деятельности.

Порой для отопления и водоснабжения промышленных помещений и зданий используют несколько тепловых насосов, которые подключают между собой по принципу каскада. Такие установки позволяют существенно экономить на электроэнергии.

В муниципалитете тепловые насосы также встречаются очень часто. Сейчас практически в каждом большом городе есть аквапарки и спортивные комплексы с бассейнами. Для обогрева зданий комплексов, воды в бассейнах и аквапарках успешно устанавливают тепловые насосы.

Тепловые насосы для отопления и горячего водоснабжения также применяют АЗС.

Применение тепловых насосов в разных странах

Тепловые насосы получили широкое применение в разных странах. Россия находится далеко не на первом месте в этом списке.

Лидером по количеству теплонасосных установок можно по праву назвать Швецию, которая на 95% отапливается именно при помощи тепловых насосов. Самая мощная система ТНС-320 установлена в городе Стокгольм, столице этой страны.

Широким применением тепловых насосов отличаются такие страны, как США, Скандинавия, Япония, Германия. Эти государства также занимают лидирующие позиции. Доказательствами являются внушительные цифры.

Допустим, в США разработкой и производством тепловых насосов занимается более 60 исследовательских организаций. В Японии выпускают более 500 000 теплонасосных установок. Показатели Германии на этот счет тоже очень оптимистичные, как и в других странах Европы.

Надеемся, что и Россия сможет достичь больших показателей в этой области. А если у вас возникли вопросы, связанные с покупкой и установкой тепловых насосов, обратитесь за грамотной консультацией в компанию «НСиА». Мы уже очень давно работаем в сфере альтернативных технологий и обладаем большими знаниями на этот счет.

Применение теплового насоса в системах отопления разных стран

С. Михненко

Тепловые насосы приобретают все большую популярность и как отдельные отопительные агрегаты, и в составе комбинированных систем отопления. Это энергоэффективные устройства, использующие возобновляемую энергию природных ресурсов – тепло почвы, воды и воздуха. Причиной их массового применения в странах Европы, Северной Америки и Азии послужили эффективность и экологичность

Европейская прагматичность По оценкам экспертов Международного энергетического агентства (International Energy Agency, IEA), разработавших «Дорожную карту» технологий «Энергоэффективность зданий – отопление и охлаждение», применение тепловых насосов для жилищ может сберечь до 63% энергии, затрачиваемой для этих целей. «Дорожная карта» технологий предполагает снижение мирового энергопотребления на отопление и охлаждение до 2050 года в два раза (!) по сравнению с сегодняшним уровнем.

По данным отчета о рынке, подготовленного Европейской ассоциацией тепловых насосов (EHPA), в 2014 году количество тепловых насосов (ТН), проданных в 21 стране ЕС, выросло на 3,5% (796746 ед.). Десятку стран по объемам продаж возглавила Франция, за ней следуют Италия и Швеция. Ежегодно в этих странах продается более 100 тыс. установок. В Германии, Финляндии, Норвегии, Испании количество проданных ТН за 2014 год составило 50 тыс.

В 2015 году, по данным EHPA, рынок тепловых насосов в Европе вырос еще на 10% и показал рекордный уровень продаж – 880 179 блоков в течение года, что сказалось на снижении выбросов CO₂ в атмосферу на 24 млн. т и создало 47 000 постоянных рабочих мест. Большая часть прироста рынка ТН в 2015 году связана с увеличением продаж в Испании (+15%), Италии (+20%) и Франции (+8%). Согласно европейским и национальным статистическим данным, обработанным ЕРНА, этот рост в основном произошел за счет воздушной ТН – технологии использования тепла атмосферного воздуха, которая набирает все большую популярность. В Европе тепловые насосы составляют уже более 5% от всего отопительного оборудования (с учетом водонагревателей на электричестве и органическом топливе).

ТН «воздух-вода» занимают в Европе наибольшую рыночную долю по сравнению с другими типами, достигнув значения почти 50%. Главными причинами такой тенденции стало улучшение характеристик и меньшие капиталовложения по сравнению с другими видами ТН, а также появление на рынке надежных моноблочных решений «воздух-вода».

К 2020 году в развитых странах мира 75% систем отопления и горячего водоснабжения будут использовать тепловые насосы, – прогнозирует Мировой энергетический совет (World Energy Council, WEC)

Шведский прорыв

Первое место по внедрению ТН среди европейских стран занимает Швеция — больше половины домов в стране обогревается ими. Стокгольм стал первой европейской столицей, которую перевели на отопление ТН. Почти вся шведская столица обогревается за счет морских теплонасосов, «качающих» тепло из Балтийского моря. Многие прибережные населенные пункты тоже пользуются этим преимуществом. В других регионах широкое применение нашли воздушные ТН. Большую популярность приобрело сочетание теплового насоса с системой «теплый пол».

В Швеции давно позаботились о государственной поддержкой широкого применения возобновляемой энергии и внедрили схему сокращения налогов при реновации и модернизации зданий. Сумма доплаты от государства для установки ТН зависит от стоимости каждого вида работ. Это позволило населению в короткие сроки значительно сократить затраты на отопление и отказаться от традиционных видов отопления.

За счет тепловых насосов Швеция в разы уменьшила загрязнение окружающей среды – ежегодное количество выбросов продуктов горения в атмосферу снизилось почти на 400 тыс. тонн. В странах Скандинавии при строительстве многоэтажных зданий застройщики обязаны устанавливать ТН для автономной системы кондиционирования, отопления и обогрева воды.

Практичность Германии

В Германии, чтобы поддержать население в переходе на более удобное, чистое и выгодное отопление, правительством оказывается финансовая помощь и предлагается льготная кредитная программа тем, кто хочет установить ТН. Сейчас, после «солнечного» бума, когда в 2010 году в Германии был достигнут т.н. «сетевой паритет», то есть когда стоимость электроэнергии из сети и полученной в домохозяйстве с помощью возобновляемых источников (например, от Солнца) сравнялись, применение ТН быстро вышло на первый план.

Видео. Применение теплового насоса «воздух-вода» в квартире

Особым спросом в Германии пользуются насосы «воздух-вода». Этот вид ТН стал доступен большинству семей Германии, поскольку он не требует больших затрат на подземные работы (как для насосов «вода-вода» и «грунт-вода») и его можно довольно просто и недорого использовать для уже имеющегося жилья, особенно в исторической застройке.

По прогнозу EHPA, за период с 2010 по 2020 год в Германии ожидается трехкратное (!) увеличение продаж ТН всех типов и снижение продаж отопительных котлов с 84 до 57%.

Французский подход

Во Франции по оценке EHPA с 2010 по 2020 год ожидается двукратный рост внедрения ТН для систем отопления, что уменьшит продажи традиционных котлов с 82 до 67%.

Налоговые кредиты на установку ТН были доступны во Франции с 2005 года. В результате в этом регионе главным образом используются ТН «воздух-вода» — ввиду относительно меньших затрат по сравнению с другими типами ТН. Здесь также сыграла свою роль традиционное распространение электронагревателей в отличие от других стран ЕС, где значительная доля систем отопления работает на органическом топливе – газе, мазуте, угле и т.д.

В соседней Бельгии установка ТН субсидируется в размере до 75% от его стоимости. Дотации в этих двух странах Западной Европы рассматриваются как механизм мотивации жителей для перехода на энергосберегающее отопление с учетом перспективы и мировых тенденций по уменьшению потребления ископаемого топлива, а не как социальная помощь.

Американский натиск

Для популяризации ТН в США пошли несколько иным путем. Там был принят федеральный закон, который обязывает компании-застройщики устанавливать это отопительное оборудование во всех строящихся зданиях. Такое «административное» давление, а не материальная стимуляция, привела, тем не менее, к тому, что за год в США продается больше 1 млн.

ед. ТН. Особенность американского рынка в том, что ТН сочетаются там с применением солнечной энергии для отопления, подогрева воды для бытовых нужд и для бассейнов, что в комбинации с ТН существенно повышает эффективность системы отопления. Помимо применения термоколлекторов, широкое использование фотовольтаических панелей в США позволяет автономно обеспечить ТН электричеством, необходимым для их работы. Этому способствует распространенность экономичных и долговечных домовых электроаккумуляторов.

Японская скрупулезность

Правительство Японии, прежде чем массово внедрять тепловых насосы, инициировало программу по изучению последствий их применения. Не было выявлено ни единого отрицательного фактора воздействия на безопасность для человека и на окружающую среду. Это стало решающим аргументом для принятия государственной программы повсеместного использования ТН в системах отопления, для чего еще в середине 80-х годов минувшего века в Японии был создан фонд «Тепловые насосы».

Катастрофа на Фукусиме еще больше стимулировала развитие «зеленых» и энергосберегающих программ, уменьшающих зависимость от атомной энергетики и газа.

Сегодня в Японии из-за особенностей местного климата наиболее популярны насосы «воздух-вода». Правительство продолжает выполнять программы субсидирования при установке ТН. Субсидия в Японии ныне составляет от $450 для бытового использования и $1500–2300 — для коммерческих целей.

Китайская масштабность

Впервые ТН «воздух-вода» появились в Китае в 2003 году. Этот сегмент рынка особенно бурно развивается начиная с 2008 года. Его ежегодный рост превышает 60%.

В 2012 году правительство Китая включило ТН «воздух-вода» в программу субсидирования приобретения энергоэффективной бытовой техники. Однако через год программа была свернута. Вместо этого были введены новые стандарты энергоэффективности, что создало нормативные предпосылки для развития рынка, главным образом за счет сегмента бытовых ТН. В 2015 году объем китайского рынка бытовых ТН «воздух-вода» оценивался в 10 млрд. юаней ($1,6 млрд.), а в 2020 году превысит 30 млрд. юаней ($5 млрд.). В ближайшее десятилетие ожидается более активное использование воздухо-водяных ТН в малых городах и селах Китая. В больших городах применение ТН стимулируется строительством «зеленых» энергоэффективных зданий.

Рис. 1. Рост мирового рынка тепловых насосов «воздух-вода» к началу 2014 года. Статистика по Японии – JRAIA, данные по другим странам – JARN

Украинская перспектива

В планах правительства Украины на 2016 год предусмотрено внесение изменений в Закон «Об альтернативных источниках энергии», по которому ТН наконец-то будут отнесены к оборудованию, использующему возобновляемые источники энергии. В соответствии с Директивой 2009/28/ЕС, в определение понятия «альтернативные источники» будут добавлены гидротермальная и аэротермальная энергия. Согласно этому законопроекту, вырабатываемая ТН энергия относится к возобновляемой при условии, что количество произведённой энергии, превышает количество потреблённой. В таком случае, на применение ТН ожидаемо будут распространяться льготы «зеленого тарифа», что мотивирует потребителей.

В Национальной ассоциации Украины по тепловым насосам (UNHPA) прогнозируют именно ТН ключевую роль по вытеснению природного газа из тепловых балансов городов и зданий нашей страны. Рынок ТН для отопления, кондиционирования и ГВС для малоэтажной застройки в Украине потенциально составляет минимум 1 млн. установок с общей установленной тепловой мощностью 5000 МВт. Прогнозы ассоциации UNHPA на период до 2030 года весьма оптимистичны и показывают, что тепловые насосы займут более 60% в балансах отопления, более 80% в балансах кондиционирования и почти 90% в системах горячего водоснабжения всех зданий Украины.

Схема «воздух-вода»

Тепловые насосы «воздух-вода» приобрели заслуженную популярность и стали во многих странах лидерами продаж ввиду того, что для них не требуются бурение скважин и дорогостоящие земляные работы, их проще и дешевле устанавливать для уже построенных зданий. Они устанавливаются снаружи дома, не требуя при этом обустройства сложных фундаментов.

Широкому распространению также способствовало развитие моноблочных моделей ТН «воздух-вода». По экспертным оценкам BSRIA (Building Services Research and Information Association), глобальный рынок ТН по состоянию на 2013 год на 75,4% состоял из моноблоков. К 2017 году число проданных в мире моноблочных ТН «воздух-вода» достигнет 3 млн. ед., превысив показатели 2016 года (2,35 млн. ед.) более чем на 30%.

Видео. Схемы подключения теплового насоса«воздух-вода» (укр. язык)

На рынке Украины представлены системы «воздух-вода» производства Ariston, AIK, Baxi, Buderus, Caldoris, Clivet, Clitech, Cooper&Hunter, CТС, Daikin, Gree, Hewalex, Hotjet, Microwell, Mitsubishi, Nibe, Remko, Stiebel Eltron, ТАГА, Vaillant, Viessmann и др. от европейских, азиатских, а теперь и от украинских производителей.

Тепло и холод

Рассмотрим особенности моноблочных тепловых насосов наружного исполнения «воздух-вода» на примере устройств серии aroTHERM компании Vaillant. Это многофункциональные тепловые насосы для отопления, горячего водоснабжения и охлаждения, использующие в качестве источника энергии низкопотенциальное тепло наружного воздуха.

Серия Vaillant aroTHERM VWL A представлена моделями мощностью 5, 8, 11 и 15 кВт. Допустимая температура наружного воздуха – от минус 20°С (минус 15°С для aroTHERM 55/2 A) для отопления и +46°С для режима охлаждения. Максимальная температура подачи теплоносителя – 63°С.

При помощи теплового насоса aroTHERM можно отапливать дом. А в комбинации со специальным водонагревателем косвенного нагрева для тепловых насосов (VIH RW 300) или станцией приготовления горячей воды (VPM…/2W) можно обеспечить горячее водоснабжение дома. Кроме того, функция «активный холод» позволяет охлаждать помещения в теплое время года. Моноблочное исполнение насоса существенно упрощает монтаж. Высокий коэффициент преобразования (COP) 2,4–4,7 обеспечивается современным долговечным инверторным компрессором. Это позволяет гибко модулировать мощность и избежать высоких пусковых токов.

Управлять всей системой отопления и охлаждения можно от одного регулятора. Предусмотрена возможность дистанционного мониторинга и управления с мобильного телефона через модуль управления VR900. ТН серии aroTHERM оснащаются насосом с частотным регулятором, модулирующим вентилятором, встроенным счетчиком полученной энергии окружающей среды, электронным расширительным клапаном. Серия тепловых насосов aroTHERM отличается низким уровнем шума.

На рис. 2 показан один из примеров подключения ТН aroTHERM VWL в многоконтурную систему отопления и подготовки горячей воды с газовым котлом. Данная схема предполагает отопление и охлаждение с помощью фэнкойлов и системы «теплый пол», нагрев воды для ГВС. Погодозависимое управление оптимизирует работу тепловых агрегатов и существенно экономит общее потребление энергии.

Рис. 2. Пример схемы подключения воздушного теплового насоса aroTHERM к водяной системе отопления и ГВС. Обозначения:
1. Воздушный тепловой насос aroTHERM VWL; 2. Настенный одноконтурный газовый котел ecoTEC plus VU; 3. Емкостный бивалентный водонагреватель auroSTOR VIH S; 4. Теплообменный модуль VWZ MWT 151; 5. Гидравлический модуль VWZ MPS 40; 6. Прямая насосная группа; 7. Смесительная насосная группа; 8. Распределительный коллектор на 2 контура; 9. Модуль управления тепловым насосом VWZ AI; 10. Регулятор multiMATIC VRC 700; 11. Смесительный модуль VR 70

Опыт применения тепловых насосов «воздух-вода» в ведущих странах на практике показал высокую эффективность оборудования данного типа – как с точки зрения энергоэффективности, так и с точки зрения начальной суммы капиталовложений и сроков возврата инвестиций. Без сомнения, положительные результаты применения этой инновационной техники будут подтверждены и в Украине.

Читайте статьи и новости в Telegram-канале AW-Therm. Подписывайтесь на YouTube-канал.

Просмотрено: 7 677

---

Вас может заинтересовать:

Вам также может понравиться

Заказ был отправлен, с Вами свяжется наш менеджер.

Воздушные тепловые насосы. Применение и эксплуатация. — Теплосоюз

 

 В последние годы в России для отопления и горячего водоснабжения становятся популярны-  тепловые насосы (ТН). Это обусловлено тем, что стоимость энергоносителей дорожает и требуется  эффективная альтернатива. Такой альтернативой  становятся — тепловые насосы, которые относятся к возобновляемым, альтернативным источникам энергии. Основной базис тепловых насосов- геотермальные тепловые насосы и воздушные тепловые насосы. В этой статье мы расскажем  о воздушных тепловых насосов,  их применении  и эксплуатации в России.

Воздушный тепловой насос использует энергию наружного воздуха, преобразовывая низкопотенциальное тепло в высокопотенциальное, с помощью компрессорного модуля и физических свойств используемых хладагентов, передает  это тепло через теплообменник- жидкости, циркулирующей в отопительной системе. Стоимость монтажа воздушного теплового насоса ниже в сравнении с геотермальной системой, т.к. нет дополнительных затрат на наружный контур: укладка труб горизонтального коллектора или бурение скважин (если коллектор вертикальный), стоимость, которых достигает половины стоимости теплового насоса, а также стоимость труб, зондов, распределительных колодцев и незамерзающей жидкости.

 Климат нашей страны очень разнообразен, поэтому решение об установке воздушного теплового насоса, как основного источника тепла или применении его с другими теплогенераторами, должен принимать специалист.

 Зимой во время суровых морозов эффективность воздушных тепловых насосов значительно ниже , чем у геотермальных.   Если посмотреть на SPF (коэффициент, показывающий отношение полученной за сезон или заданный период времени теплоты к потребленной электроэнергии за указанный период), то мы увидим, что современные модели воздушных тепловых насосов не намного хуже, а в южных регионах и лучше чем у геотермальных тепловых насосов. В среднем, в зависимости от климатических условий зимы, на 1 кВт затраченной электроэнергии воздушный тепловой насос производит 3,5-5,0 кВт тепла для отопления и приготовления горячей воды, а геотермальный — 4-5,4 кВт.

Производители оборудования за последние годы добились, значительного прогресса, их устройства могут вырабатывать тепло при внешней температуре -20°С(Nibe F2040), а некоторые премиальные марки успешно функционируют до -25°С (Nibe F2120, Nibe F2300 ) или даже до -28°С. На 2015-й год несколько производителей анонсировали выход нового поколения  воздушных тепловых насосов, способных эффективно работать до температуры -32 °C.

Воздушные тепловые насосы имеют свою нишу применения. Количество и качество установленного в мире и в России, теплонасосного оборудования с каждым годом только повышается.  При этом мы наблюдается  обострение конкуренции, которое сдерживает рост розничных цен.

Когда стоит устанавливать воздушный тепловой насос.

 Применение воздушного теплового насоса для отопления частного дома, общественного здания, предприятия и приготовления горячей воды с экономической точки зрения оправдано в следующих ситуациях. Например, если рядом не проходит сеть магистрального газа или не удается получить техническое условие на «врезку» в магистральную газовую сеть. Тогда на выбор у Вас есть четыре решения. Первое — это монтаж котлов на твердом топливе  (пеллетный), которые обеспечивают низкие расходы на отопление дома, но не очень удобны в эксплуатации. Второе — это установка котлов, работающих на сжиженном газе или дизельном топливе. Использование сжиженного газа и дизельного топлива довольно дорого из-за высокой стоимости энергоносителей, и к тому же необходимо думать о их доставке и безопасности. Третье- электрический котел, компактный и дешевый вариант, при установке, но дорогой при эксплуатации.

Достаточно привлекателен с экономической точки зрения четвертый вариант- установка воздушного теплового насоса. Это оборудование требует больше первоначальных затрат, но в тоже время имеет ряд преимуществ: производство тепла в 3-4 раза дешевле первых трех вариантов, минимальное техническое обслуживание, экологичность, безопасность и срок эксплуатации до 20 лет. Еще одним неоспоримым преимуществом воздушного теплового насоса является наличие функции охлаждения, особенно это актуально в южных регионах нашей страны.

 

Уровень теплопотерь зданий современного энергосберегающего дома составляет 40-60 Вт на 1 м². Еще несколько лет назад для дома площадью 200 м² необходима была установка котла мощностью не менее 24 кВт, т.к. теплопотери зданий составляли 100-150 Вт на м². Сегодня достаточно 8-12 кВт. В таком доме, можно поставить тепловой насос воздух/вода мощностью 14-16 кВт- для южных регионов России, а в средней полосе рекомендуется установка бивалентной системы, т. е. ставить к воздушному тепловому насосу дополнительный источник тепла- электрический, пеллетный или дизельный котел. Зимой, когда наружная температура опускается ниже -25 °C, автоматика ВТН отключает наружный модуль, из-за низкой эффективности воздушного теплового насоса и подключает дополнительный менее экономичный источник тепла, при этом годовые затраты будут минимальны, т.к. обычно в центральном регионе температура ниже-25 °C бывает не больше двух недель.

При проектировании системы отопления, рекомендуется использовать напольное и настенное отопление (водяные теплые полы, стены). Это решение позволяет добиться высокой энергетической эффективности и оптимального распределения тепла, также создает благоприятный микроклимат в помещении.

Применение геотермальных тепловых насосов не всегда возможно. Например, это может быть связано с небольшой площадью участка, и не возможностью укладки труб коллектора или с отсутствием разрешения на бурение скважин, неподходящей геологией участка для варианта с вертикальными скважинами. Или когда идея установки теплового насоса появляется на этапе, когда вокруг дома уже поработал ландшафтный дизайнер, и серьезное вмешательство сопряжено с дополнительными расходами. Тогда выбор воздушного насоса является лучшим решением.

При модернизации существующих систем отопления домов, в которых установлены теплогенерирующие источники на сжиженном газе и дизельном топливе- установка воздушного теплового насоса позволяет снизить себестоимость выработки тепловой энергии на 50-75 %. Тепловой Насос можно легко объединить с существующей котельной через буферный(аккумулирующий) бак, такой способ называется бивалентным.

Место установки воздушного теплового насоса.

Место установки воздушного теплового насоса- обычно северная сторона здания для частных домов или крыша- для промышленных и общественных зданий.

Моноблочный воздушный тепловой насос внутреннего монтажа.

При таком способе установки- ВТН устанавливается внутри дома, а до котельной, в которой установлен тепловой насос, прокладываются два воздуховода. По одному каналу для теплового насоса  подается наружный воздух, по второму удаляется  после получения от него тепла. Преимуществом этого решения является простая установка и отсутствие на на улице блока теплового насоса. Единственное, что мы видим снаружи, это решетки воздухозабора и выброса воздуха.

Во время работы насос потребляет большой объем воздуха, это связано с появлением шума самого устройства и воздуховодных каналов. В связи с этим стоит уделить особое внимание на правильный подбор сечения воздушных каналов. Кроме того, они должны быть хорошо шумо- и тепло- изолированы. В противном случае зимой, будет происходить охлаждение помещения и появление наледи или конденсата.

Совет — рекомендуется, чтобы отверстие выброса не было слишком низко к земле, потому что зимой это может привести к обледенению снаружи.

Также из-за шума, работающего теплового насоса, не следует ставить его в помещении рядом со спальней. Место забора и выброса воздуха, следует устанавливать вдали от окон спальни.

Во время работы, воздушный тепловой насос может производить некоторое количество конденсата. Для этого,  требуется установить дренажную трубу.

Наружная установка моноблочного воздушного теплового насоса.

Моноблок ТН, кроме бойлера ГВС и теплоаккумулирующего бака, монтируется с наружи, в здание входят две трубы небольшого диаметра — они соединяют  тепловой насос с системой отопления и ГВС.

Совет —  моноблок ВТН нужно устанавливать на северной стороне и подальше от спальни. Во время работы в зимнее время, тепловой насос производит большое количество конденсата, который образует наледь, поэтому рекомендуется предусмотреть дренаж с подогревом или установка на кронштейнах.

Установка сплит-системы.

Сплит-система воздушного теплового насоса состоит из внешнего блока (с виду напоминающий кондиционер), который получает энергию из окружающей среды, и внутреннего модуля, который устанавливается внутри дома и отвечает за передачу тепла к системе отопления. Обе части соединены между собой трубопроводом, по которому циркулирует хладагент (как и в домашнем холодильнике). Такого типа тепловые насосы не беспокоят потребителя во время работы, как правило, часть насоса, «ответственная» за шум находится снаружи. Также в этом варианте вода от системы отопления не проходит через улицу. Так что нет риска замораживания и разрушения во время перебоев электропитания.

Совет — при монтаже наружного модуля, необходимо руководствоваться теми же принципами, что и при монтаже моноблочного теплового насоса. Кроме того, производители тепловых насосов указывают в руководстве по установке, допустимые длины труб между внешним и внутренним модулем- рекомендуемая длинна которых не более 30 м.

Сферы применения тепловых насосов | MYCOND

Использование тепловых насосов может быть разнообразным. О том, где применяются тепловые насосы мы поговорим в этой статье.

Тепловые насосы могут работать:

• только на отопление – тепловой насос подбирают по теплопотерям здания под необходимую температуру теплоносителя (например, воды) и наружного воздуха. Это вариант реконструкции, где не хотят разрушать существующий ремонт. Данный вариант подходит для объектов, где единственным вариантом, который можно подобрать будет тепловой насос, который работает только на тепло (без режима генерации холода).
• только на кондиционирование – тепловой насос подбирают по теплопоступлениям. Этот вариант не особо имеет смысл, так как существуют бытовые кондиционеры или чиллера только для кондиционирования, которые дешевле теплового насоса. Рациональнее применять тепловой насос как на кондиционировании, так и на отопление.
• только на горячее водоснабжение – тепловой насос подбирают по количеству тепла на нагрев необходимого объема холодной воды за нужное время. Чем больше объем необходимой горячей воды, тем выгоднее применять тепловой насос. Стоит предлагать хотя бы от 200 л, а лучше от 1 000 л.
• на отопление и кондиционирование – оптимальное применение теплового насоса. Подбирается по большей величине между теплопотерями или теплопоступлениями. Это самый распространенный вариант применения теплового насоса в большинстве частных домов и коммерческой недвижимости. Необходимое количество горячей воды столь не значительно, что его лучше готовить классическим способом.
• на отопление и горячее водоснабжение – агрегат подбирают по сумме необходимого тепла на нагрев горячей воды и теплопотерь. Данный вариант можно предлагать для объектов, где единственным вариантом, который можно подобрать будет тепловой насос, который работает только на тепло (без режима генерации холода). Обычно тепловой насос на холод/тепло стоит немного дороже теплового насоса только на тепло, поэтому есть смысл предлагать агрегат на холод/тепло даже на объекты, где нужно только тепло. На большинстве домов потребность в кондиционирование есть, просто клиент не хочет применять дорогостоящее оборудование. В случае же теплового насоса мы сразу получаем машину, которая может отапливать и охлаждать. При этом подогрев горячей воды стоит предлагать для емкостей от 200 л. То есть тепловой насос для бассейна – вполне подходящий вариант.
• на кондиционирование и горячее водоснабжение – существуют тепловые насосы и чиллера, которые за время работы на кондиционирование могут утилизированное тепло с наружного блока от охлаждения пускать на нагрев горячей воды. К данному варианту оборудования лучше подходить индивидуально и обратиться к специалисту для корректного подбора агрегата. В общем же такое оборудование подбирается по теплопоступлением для режима кондиционирования, а нагрев горячей воды происходит второстепенно – сколько дает подобранный агрегат, столько и берем. Это вариант для ресторанов и оптимизации технологических процессов на производстве.
• на отопление, кондиционирование и горячее водоснабжение – подбор происходит по большей величине теплопотерь или теплопоступлений плюс дополнительно необходимое тепло на нагрев горячей воды. Типичный агрегат будет летом готовить горячую воду в промежутках между работой на кондиционирование. Возможны нестандартные варианты с рекуперацией тепла на горячее водоснабжение – здесь лучше обратиться к технику для подбора. При этом подогрев горячей воды стоит предлагать для емкостей от 200 л. Это стандартный вариант для новостроек площадью от 200 м² и более.

Важно:

Теплопотери

Любое здание теряет тепло. Согласно правил инженер, который разрабатывает систему отопления, должен считать «теплопотери», которые показывают сколько нужно подать тепла за 1 час, чтобы поддерживать необходимую температуру воздуха в доме.

Теплопоступления

Летом помещения необходимо кондиционировать. Величину холода, которая для этого необходима обычно рассчитывает инженер на основе теплопоступлений. Теплопоступления – это то, сколько тепла выделяется в помещение от техники, людей, солнца, от горячего уличного воздуха и т. д.

При подборе теплового насоса MYCOND мы учитываем все эти факторы.

Типы тепловых насосов для отопления: виды, преимущества и применение

  Вы решили качественно модернизировать свою систему отопления и добавить возможность ГВС (горячее водоснабжение) и кондиционирования, или подбираете оборудование, которое решило бы все задачи для проекта дома наилучшим образом? Естественно, Ваш выбор — тепловой насос. Альтернатив просто нет. Это энергоэффективное единое техническое решение для отопления, подогрева воды и охлаждения помещений.

  

  Первым шагом для обеспечения отопления станет важный вопрос – какой тип теплового насоса (ТН) лучше всего подходит для Ваших целей. Точнее, какой источник возобновляемой энергии наиболее рационально и экономически выгодно применить для Вашего проекта: грунт, воду или атмосферный воздух. 
 

  По этому признаку различают следующие основные типы ТН: грунтовые (грунт-вода), водяные (вода-вода) и воздушные (воздух-вода или воздух-воздух). Рассмотрим особенности применения каждого из этих типов.

 

Тепловой насос грунтовой «грунт-вода»

  В такой системе тепло извлекается из грунта, и далее передается в контур отопления и горячего водоснабжения (ГВС). Температура приповерхностного слоя земли или на глубине всегда положительна, поэтому такой тип оборудования является идеальным вариантом со стабильной продуктивностью на протяжении всего года. Но реализовать проект можно при наличии некоторых предпосылок.
 

  Как работает такое оборудование, и как оно обустроено? У дома есть значительное пространство – земельный участок, где на глубину (больше, чем глубина промерзания для данного региона) укладываются трубы горизонтального коллектора. Их можно уложить в траншеи или в котлован, вырытые экскаватором. Места укладки в дальнейшем не стоит засаживать деревьями, поскольку земля здесь должна качественно прогреваться солнцем. 
 

  Если участок около дома невелик, можно бурить несколько, удаленных вглубь на 6-8 метров, вертикальных скважин; глубина (до 40м и глубже) и количество скважин зависят от геологического строения грунта. Лучше всего подходят влажные и проходимые для бурения породы грунта. В качестве источника тепла также может использоваться пруд или водоем достаточного объема, куда для теплосъема на глубину укладываются кольца трубного коллектора. Главное, чтобы водоем зимой не промерзал на всю глубину.

Минусы

 

• Стоимость оборудования и всех установочных работ обойдется дороже, чем для водяных или воздушных тепловых насосов, но зато годичное энергопотребление – минимально по сравнению с другими типами ТН;
• Трудные монтажные работы – без опытных специалистов, которые уже устанавливали такую систему, не обойтись.

Преимущества 

• 100% покрытие нагрузок по отоплению, подогреву воды и охлаждению дома; 
• Максимальное снижение энергозатрат при использовании низкотемпературных систем отопления; 
• Стабильно очень высокий COP; 
• Тихая работа; 
• Легкое энергоэффективное управление; 
• Экологическая чистота; 
• Электро- и пожаробезопасность; 
• Безотказная работа на протяжении десятков лет.

 

  Большим преимуществом является то, что для размещения данного оборудования не нужны топочная, согласования проекта, разрешения и постоянный контроль.

 

Тепловой насос водяной — «вода-вода»

  Принцип работы: используется тепло водоема или грунтовых вод, где температура всегда положительна. Хороший вариант при такой системе, если есть неглубоко залегающие приповерхностные водные горизонты или большой незамерзающий водоем, река, море. Вода из скважин с помощью насосов подается к контуру ТН, а ее тепло передается в дом, после этого охлажденная вода сбрасывается через другую скважину. Другой вариант — вода забирается из водоема и возвращается назад в водоем в другом месте. Поэтому нужны достаточно мощные насосные установки, требуется очистка воды, а главное — чтобы был достаточным дебет воды. 
 

  Количество скважин для обеспечения нужной тепловой мощности определяет точный теплотехнический расчет. Но есть много проектов отопления для промышленных или частных объектов с использованием ТН «вода-вода». 

 

Минусы

• Энергопотребление выше, чем у грунтовых ТН, зато стоимость оборудования и работ ниже;
• За счет работы насосов, нужен периодический сервис;
• Недостатком является несовершенная пока законодательная база на использование недр для установки водяного ТН в частном доме.

Преимущества

• 100% покрытие нагрузок;
• Энергоэффективное оборудование, которое имеет высокий COP;
• Меньшая стоимость монтажа, не нужны котельные или дымоходы;
• Экологическая чистота;
• Постоянный мониторинг работы системы, удобное управление.

 

Тепловой насос воздушный — «воздух-вода»

  Окружающий воздух – неиссякаемый источник тепловой энергии. Даже при небольших минусовых температурах воздушный тепловой насос извлекает тепло из наружного воздуха и многократно преумножает его, передавая воде в системе отопления и ГВС. Расходуя 1кВт электроэнергии, мы получаем до 5 кВт тепла! Но эффективность работы теплового насоса воздух-вода зависит от наружной температуры: чем ниже температура «за бортом», тем больше энергии расходуется для извлечения нужного количества тепла. Он будет работать и при -25°C, но с гораздо низшей эффективностью. Поэтому при выборе «воздушника» учитываются климатические условия региона, среднегодовые температуры и количество морозных дней в году. 
 

  Эффективнее и рациональнее будет использовать такое оборудование с переключением на альтернативную систему – например, электронагреватель, газовый или твердотопливный котел. Устанавливая воздушный тепловой насос, при синхронизации системы с газовым отоплением достигается максимальная экономия энергоресурсов, ведь теперь котел включится всего пару дней в году. Хотя возможна и работа воздушного ТН как основного источника тепла с переключением в морозные дни на встроенный электронагреватель. Вариаций может быть много.
 

Мы хотим проконсультировать Вас

 Поэтому для таких ТН, как и, впрочем, для остальных типов, немаловажным является выбор низкотемпературных нагревательных контуров, таких как теплый пол или система фанкойлов. Здесь нет нерегулируемых конвекционных потоков, и наиболее комфортные температурные условия создаются в зоне пребывания людей, а не под потолком. Система с фанкойлами — наиболее удачный выбор для кондиционирования помещений летом. 
 

  Отметим, что воздушник состоит из одного или нескольких блоков, причем, блок с вентилятором устанавливается снаружи дома, а внутренний тихий – компактно на стене или на полу. Существует исполнение теплового насоса со встроенным  баком для ГВС, или с отдельно стоящими бойлерами, или баками-накопителями. Воздушники с успехом используются для подогрева воды и в бытовых условиях, и для бассейна, и для производства. Могут устанавливаться и работать с радиаторами, теплым полом и фанкойлами, в каскаде для получения нужной мощности по теплу / холоду.
 

Применяются

  Для установки в частных и многоквартирных домах, офисах, лечебных и учебных учреждениях, гостиницах, пансионатах и админ. зданиях. 
 

Минусы

• Такие тепловые насосы полностью зависят от температуры воздуха на улице;
• Потребуется установка альтернативного отопления на случай очень холодных дней;
• Чем ниже температура окружающей среды (минусовая), тем больше снижается энергоэффективность системы.

Преимущества

• Более половины из всех устанавливаемых ТН – воздушные. Они применяются в новостройках и при модернизации систем отопления и ГВС; 
• У них самая низкая стоимость оборудования и монтажных работ, быстрая окупаемость. 
• Это высокоэффективное энергосберегающее оборудование с высоким COP;
• Нет особых требований по размещению внутренних и наружных блоков;
• Монтаж простой и быстрый;
• Они интегрируются в существующую схему отопления и ГВС, 
• Управляют работой нескольких контуров отопления и дополнительным котлом или нагревателем.

 

Тепловой насос воздушный — «воздух-воздух»

  Как работают модели типа ‘воздух-воздух‘? Тепло наружного воздуха от внешних блоков передается хладагенту, циркулирующему в замкнутом контуре, а от него — воздуху, который далее подается в каждое помещение через внутренние настенные / напольные блоки фанкойлов. По комфортности, такие установки проигрывают схемам «воздух-вода». 

Применяются

  Они больше подходят для помещений с временным пребыванием людей – для дач или загородных коттеджей, производственных участков, складов или коммерческих помещений. 

Минусы

• Более энергозатратны и создают шум;
• Для подогрева воды используются дополнительные модули;
• Не интегрируются в схемы с другими источниками тепла;
• Потоки воздуха неравномерно могут прогревать нужные зоны помещений;
• Требуют более длительной работы, т.к. оборудование не обладает инерцией.

Преимущества

• Быстро прогревают помещение;
• Самая низкая стоимость оборудования и монтажа;
• Нет нужды подстраиваться под окружающие возможности: не нужен водоем, не надо бурлить к грунтовым водам, не нужно подбирать підходящий грунт;
• Быстрая окупаемость;
• Работа на кондиционирование летом.

 

Производители тепловых насосов, мирового качества

  
     Испанцы от бренда Hitachi                    Англичане от MyCond                 Англичане от Mitsubishi Electric
 

Правильный выбор

  Если необходимы максимум комфорта, стабильная продуктивность на протяжении всего года и наименьшие эксплуатационные затраты, а следовательно, и минимум подводимой к дому энергомощности – это грунтовые тепловые насосы. Но для реализации этого проекта нужно выполнение условий, перечисленных выше, где стоимость работ сопоставима со стоимостью оборудования.
 

  Судя по статистике уже реализованных в мире проектов – для большинства объектов подходит именно воздушный тепловой насос «воздух-вода». Это минимальные капиталовложения при максимальной функциональности и оптимальных энергозатратах. Нужно только правильно подобрать модель. Учитываются характеристики здания, нужные функции (отопление, ГВС, кондиционирование), необходимая температура в системе отопления (для теплого пола +35…+45 °C, для радиаторов до +65…+80°C), нужное количество горячей воды, возможность присоединения других источников тепла (солнечных коллекторов, котлов) и прочие условия. В любом случае, подбор теплового насоса согласовывайте со специалистами.
 

  Итог – какой тип теплового насоса выбрать зависит от Ваших возможностей, особенностей окружающей среды и климата, пожеланий.

 

Похожие статьи и материалы

Что такое тепловой насос и как он работает?

Отопление частного дома

Тепловые насосы – новый стандарт комфорта

Применение (использование) тепловых насосов на ТЭЦ (ТЭС).

Промышленные предприятия (металлургические комбинаты, предприятия нефтехимической и других энергоемких отраслей) являются крупными потребителями тепловой и электрической энергии и имеют собственную ТЭЦ. Часто не только само предприятие, но и находящиеся рядом жилые и общественные здания обеспечиваются ее теплом и электроэнергией. Административные здания предприятий и находящиеся рядом общественные здания нуждаются не только в энергии указанных выше видов, но и в холоде на летний период.             Тепловые насосы — теплонасосные установки (ТНУ) в промышленности могут быть использованы для различных источников энергии: низкопотенциальных ВЭР в виде пара и горячей воды, обратной сетевой воды систем теплоснабжения, технической воды оборотного водоснабжения, уходящих газов котлов и технологических агрегатов, сточных вод, морской и речной воды, грунта и грунтовых вод и т.д. Актуальна проблема эффективного использования тепловых насосов, которые успешно применяются в странах Европы, в США и Японии для покрытия нагрузок систем горячего водоснабжения (ГВС), отопления и кондиционирования.             Тепловой насос, подключенный к тепловой сети, позволяет увеличить выработку тепловой энергии на ТЭЦ, благодаря снижению температуры обратной (оборотной) сетевой воды, сэкономить топливо в результате снижения количества вырабатываемой тепловой энергии или увеличить отпуск тепло- и электроэнергии на нужды города. Как показывает анализ наиболее эффективно работающих ТНУ, они могли бы запросто заменить водогрейные электрокотлы. Современные высокотемпературные тепловые насосы серии IWHSS способны нагреть теплоноситель до +95°С, делая его пригодным для использования в системе местного отопления и горячего водоснабжения.             Применение теплонасосных установок (ТНУ) на ТЭЦ весьма перспективно. При мировых тенденциях экономии топливных ресурсов, сбросное тепло в градирнях необходимо полезно использовать. Уже существует зарубежный опыт в этом направлении, тем более приятно, что и у нас, где теплофикация развита как ни в какой другой стране, уже испытана реальная установка в технологической схеме ТЭЦ. Оценки показывают, что даже при работе теплового насоса с коэффициентом преобразования равным 5, себестоимость производимой тепловой энергии в несколько раз ниже, чем при традиционной комбинированной выработке на ТЭЦ. Масштабы применения ТНУ на сбросной теплоте градирен может достигать 1600-2000 Гкал/час. Таким образом, применение ТНУ на ТЭЦ выгодно не только технологически (улучшается вакуум в конденсаторе и повышается выработка электроэнергии), но и экономически (реальная экономия топлива или повышение тепловой мощности ТЭЦ без дополнительных расходов на топливо и излишних капитальных затрат).             Положительным опытом работы теплонасосной установки, полученным на ТЭЦ, можно воспользоваться более широко. ТНУ может найти самое широкое поле применения и в других областях теплоснабжения там, где встречается низкопотенциальное тепло, которое трудно использовать и поэтому оно просто выбрасывается. Энергосберегающий и, главное, экономический эффект от внедрения ТНУ может оказаться колоссальным. В тепловых сетях можно увеличить присоединенную нагрузку за счет установки ТНУ на обратную магистраль, понижая тем самым температуру обратной сетевой воды. Примеров применения ТНУ может быть множество, но основное — это реальное применение и широкое внедрение таких технологий во всех сферах теплоснабжения.

Абсорбционные тепловые насосы (АБТН) — Цены

 

Что такое АБТН

Назначение АБТН (абсорбционного бромисто-литиевого теплового насоса) – утилизация бросового тепла и его трансформация на более высокий температурный уровень. Для этого тепловому насосу требуется дополнительный источник энергии – не электрический, а тепловой. Выбор модели АБТН определяется температурой бросового тепла, требуемой температурой потребителя тепловой энергии и имеющимся видом дополнительного теплового ресурса.

Принцип работы АБТН существенно не отличается от принципа работы абсорбционной холодильной машины (АБХМ). Основная разница состоит лишь в температурах рабочих сред, которые определяют некоторые конструктивные особенности АБТН. 

Абсорбционные тепловые насосы делятся на 2 типа. АБТН первого типа (АБТН-I) часто применяют в теплоэнергетике и различных отраслях промышленности. Основная доля рынка АБТН приходится на них. АБТН-II распространены значительно меньше и в основном применяются на химических производствах.

АБТН первого типа предназначен для утилизации низкотемпературной тепловой энергии (не ниже 30°С). На выходе из АБТН формируется температура до 90°С. В составе выходной тепловой энергии АБТН первого типа 40% составляет «бросовая» теплота. А 60% составляет дополнительно потребляемая высокотемпературная тепловая энергия (пар, горячая вода, теплота сжигания топлива). Также возможно использование «бросовой» энергии дымовых (отходящих) газов, отработанного пара, горячей воды, не потребляемой в теплый период года.

АБТН первого типа может заменить собой градирни системы оборотного водоснабжения, и это одна из самых перспективных областей их применения. Однако температура воды, нагретой АБТН первого типа, не превышает 90°С.

АБТН второго типа могут нагреть воду до высоких температур, могут вырабатывать также и пар, и не требуют использования дополнительного источника тепловой энергии. Однако лишь 40% утилизированной энергии трансформируется на высокотемпературный уровень, а 60 % утилизируемой энергии сбрасывается в градирню.

 Отличия абсорбционных тепловых насосов первого и второго типа

 

Плюсы АБТН

• Количество бросовой теплоты в составе выработанной тепловой энергии более 40%.
• Эффективность использования топлива при применении АБТН первого типа увеличивается на десятки процентов.
• Абсорбционные тепловые насосы второго типа утилизируют бросовую теплоту от среднетемпературного источника (60~130 ℃) и вырабатывают высокопотенциальную тепловую энергию (90~165 ℃), не потребляя дополнительный тепловой ресурс.

 

 

АБТН первого типа

АБТН-I позволяет утилизировать бросовое тепло, вернув его в теплофикационный цикл. Для работы АБТН-I нужен высокопотенциальный источник тепла, от температуры которого зависит температура горячей воды на выходе.

АБТН-I имеет три основных контура: бросовое тепло, высокопотенциальное тепло, нагреваемая вода. Ниже представлена схема теплового баланса.

Высокопотенциальный источник тепла. Это основной источник энергии, необходимой для работы теплового насоса. Таким теплом может быть насыщенный пар от 0,1 до 0,8 МПа, горячая вода от 90°С. Чем ниже температура высокопотенциального источника, тем сложнее идут процессы в тепловом насосе, и тем ниже температура полезной горячей воды на выходе из АБТН.

Источник бросового тепла. Это то тепло, которое ранее выкидывалось через градирню, в виде технологических стоков и пр. Таким теплом может быть вода с температурой от 20°С, бросовый пар низкого давления и др. От температуры бросового источника также зависит температура в контуре горячей воды на выходе из АБТН. Как правило разница между ними не может быть выше 40-50°С. То есть, если бросовое тепло, например, пар от турбины имеет температуру конденсации 40°С, то в контуре нагреваемой воды можно подогреть воду до 90°С. Более высокий перепад температур ведет к значительному увеличению габаритов и веса теплового насоса, снижению эффективности или вообще к невозможности изготовления.

 Нагреваемая среда. Тепловой насос первого типа может нагреть воду не выше 95°С. В условиях больших предприятий, где имеются большие расходы нагреваемой воды, целесообразнее иметь небольшую дельту по температуре и максимальный расход. Например, нагревать воду с 70°С до 75°С, а далее подогревать обычным способом (пар, котельная и т.д.). Если тепловой насос будет греть лишь до 75°С, он будет значительно меньше, дешевле и эффективней. Поэтому АБТН всегда рассчитывают под конкретные условия эксплуатации, и его размеры очень зависят от температур по всем контурам.

 

Типовой случай применения АБТН-I

 

Для утилизации бросового тепла от охлаждаемого оборудования часть теплой (35°С) воды направлена на АБТН. Он потребляет пар 0,8МПа, утилизирует бросовое тепло и нагревает обратную сетевую воду от 60°С до 80°С, далее эта вода догревается паром. Благодаря АБТН расход пара на нагрев воды 60/80°С уменьшен на 40% за счет утилизации бросового тепла. Так же частично разгружена градирня.

 

Как устроен АБТН-I

АБТН-I, как и АБХМ, имеет четыре основных аппарата – испаритель, абсорбер, генератор и конденсатор. Тепло вырабатывается, поскольку при поглощении паров воды раствор бромистого лития нагревается и орошает трубы абсорбера, по которым течет нагреваемая вода.

В трубах испарителя течет охлаждаемая вода – бросовое тепло. А в генератор подается пар.

 

 

АБТН второго типа (HRH-II)

АБТН второго типа используют намного реже, чаще всего на химических производствах.  Он также имеет три контура — бросовое тепло, оборотная вода, нагреваемая вода. Такой тепловой насос позволяет получать перегретую горячую воду, которую затем можно выпарить в насыщенный пар с давлением до 0,6 МПа. Источником энергии является бросовая горячая вода с температурой от 100°С.  При работе АБТН-II примерно половина тепла выбрасывается на градирню. Ниже представлена схема с тепловым балансом.

Высокопотенциальный источник тепла (бросовый). Это источник энергии, необходимый для работы теплового насоса. Таким теплом может быть горячая вода с температурой 100-120°С. Чем ниже температура высокопотенциального источника, тем сложнее идут процессы в тепловом насосе, и тем ниже температура полезной горячей воды на выходе из АБТН.

Охлаждающая вода. В отличие от АБТН-I, АБТН-II требует охлаждения оборотной водой. Это может быть отдельная градирня либо вода из общей системы водооборотного цикла предприятия.

Нагреваемая среда. Тепловой насос второго типа может нагреть воду не выше 165°С. Далее эту воду можно преобразовать в насыщенный пар и использовать для технологических процессов.

 

Типовой случай применения АБТН-II

АБТН-II применяют в технологических цепочках, в которых есть бросовое тепло с высокой температурой (более 80°С) и потребность в нагреве выше 100°С.

 В данном примере тепловой насос утилизирует теплоту конденсации этанола и примерно половину от этого тепла возвращает в цикл для нагрева сырья. 

 

 

Как устроен АБТН-II

АБТН-II, как и АБХМ, имеет четыре основных аппарата – испаритель, абсорбер, генератор и конденсатор. Тепло вырабатывается, поскольку при поглощении паров воды раствор бромистого лития нагревается и орошает трубы абсорбера, по которым течет нагреваемая вода.

В трубах испарителя и генератора течет горячая вода или конденсируется пар – бросовое тепло. А в конденсатор подается оборотная вода.

 

 

Применение AБТН

Основными потребителями АБТН являются тепло-, электрогенерирующие компании и энергоемкие технологические производства (нефтепереработка, газопереработка, нефтехимия, производство минеральных удобрений, металлургия и т.п.).

АБТН первого типа очень широко используются в теплоэнергетических системах, где служат для предподогрева обратной сетевой или подпиточной воды за счет утилизации теплоты системы оборотного водоснабжения.

 

 

АБТН второго типа используются на промышленных предприятиях, где часто имеются излишние высокотемпературные энергетические потоки и одновременно существует потребность в энергии более высокого потенциала.

  

В нефтехимии, нефтепереработке и на химических производствах АБТН одновременно выполняют 2 задачи: охлаждение в одной ветви технологического процессе и нагрев в другой.

Примером использования АБТН в нефтепереработке является нагрев Н-бутана за счет тепловой энергии, утилизированной от изобутана. До 40% тепловой энергии для нагрева можно получить из «бросовой» теплоты, утилизируемой от изобутана, поступающего на орошение.

При производстве синтетического (бутадиенового) каучука в технологическом процессе одновременно нужен нагрев одной среды и охлаждение другой. Это является предпосылкой для применения АБТН, поскольку в этом случае 40% нагрева будет обеспечено энергией, утилизируемой с охлаждаемого контура.

АБТН на ТЭЦ: многие российские ТЭЦ работают по прямоточной системе охлаждения энергетических агрегатов. Природная вода при этом может загрязняться, предприятие оплачивает экологические штрафы, а тарифы на потребление воды растут.

Переход к замкнутой системе охлаждения с помощью градирен не всегда возможен (отсутствие места, дороговизна). Охлаждение энергетической установки (например, подшипников и масляной системы турбины, работающей в теплофикационном цикле) может выполнять АБТН, который заменяет собой градирню. В контуре нагрева АБТН утилизированную тепловую энергию отдает в контур предподогрева подпиточной или обратной сетевой воды.

Расход топлива на предподогрев снижается до 40%! Одновременно обеспечивается стабильность работы энергетического оборудования. Таким образом, при применении тепловых насосов существенно снижается удельное потребление топлива на ТЭЦ, уменьшается объем выбросов СО2 в атмосферу и снижается количество потребляемой природной воды.

Использование абсорбционных тепловых насосов при том же объеме потребления газа позволяет ТЭЦ выработать на 40% больше тепловой энергии.

Энергоэффективность и экологичность применения АБТН настолько велика, что в Китае на законодательном уровне запрещено строительство новых ТЭЦ без абсорбционных тепловых насосов.

Применение АБТН на пищевых предприятиях:

Применение АБТН II типа в производстве спирта позволяет существенно снизить высокие энерго- и теплозатраты в процессе:

• очистки,
• подогрева,
• замеса,
• при водо-тепловой переработке
• пастеризации.

Это позволяет существенно снизить себестоимость производства спирта.

АБТН в производстве молочной продукции:

АБТН из «бросового источника тепла» позволяет производить высокотемпературную энергию до 169°С (пар с давлением до 6 ати) для ультравысокотемпературной обработки молока, производства плавленного сыра, мгновенной, длительной и короткой пастеризации молока.

 

Преимущества АБТН Shuangliang Eco-Energy

АБТН Shuangliang — это оборудование с максимальным уровнем надежности и автоматизации. В нем использованы запатентованные оригинальные и эффективные конструктивные решения.

Абсорбционные тепловые насосы, как правило, имеют существенно большую установленную мощность, чем абсорбционные холодильные машины. Если единичная мощность серийных образцов АБХМ ограничиваются полутора десятками МВт, то единичная мощность серийно выпускаемых АБТН производства Shuangliang Eco-Energy достигает 100 МВт.

Технологические достижения и уникальные конструкторские решения Shuangliang Eco-Energy позволяют предлагать компактное (сравнительно с другими производителями), надежное и эффективное оборудование. 

Итоговая оценка качества АБХМ и АБТН формируется тремя показателями: продолжительность эксплуатации, надежность и эффективность (СОР). И по этим критериям продукция Shuangliang имеет наивысшие оценки.

6 АБТН, установленные на ТЭЦ в г. Янгкванг, Китай.
Теплопроизводительность каждого – 30 МВт, общая теплопроизводительность – 180 МВт!

 

Наилучшие технологические решения Shuangliang Eco-Energy

1. Коррозионная стойкость материала теплообменных труб генератора абсорбционных бромисто-литиевых машин

Shuangliang использует для изготовления трубок теплообменников АБТН сталь SS316L. Это так называемая ювелирная сталь, ее используют для изготовления самых прочных и долговечных корпусов наручных часов известных марок, в том числе всех швейцарских и японских. SS316L – это молибденовая сталь, имеющая высокую устойчивость к коррозии, особенно в агрессивных средах. Трубы генератора абсорбционного теплового насоса (АБТН) – наиболее уязвимый элемент конструкции, так как раствор бромистого лития является агрессивной средой.

Другие типы стали, например, SS304Ti, которую используют конкуренты, к примеру Thermax, более подвержены питтинговой коррозии. Она является наиболее частой причиной выхода из строя АБТН. Согласно данным исследования, проведённого финской компанией Outukumpu (один из крупнейших производителей стали в мире) нержавеющая сталь SS316L имеет более высокую коррозийную стойкость по сравнению с другими марками стали. Устойчивость к питтинговой коррозии стали SS316L в 1,45…1,55 выше, чем у стали SS430Ti.

2. Кожухотрубные теплообменники раствора бромистого лития обеспечивают эксплуатационную безопасность

Некоторые производители абсорбционных холодильных машин используют пластинчатые теплообменники раствора из-за их более низкой стоимости, тогда как в абсорбционных чиллерах Shuangliang используются кожухотрубные теплообменники раствора. Недостатком пластинчатых теплообменников является сложность раскристаллизации рабочего раствора.

Эффективность теплопередачи в пластинчатых теплообменниках выше, поэтому при некоторых условиях может происходить резкое снижение температуры раствора бромистого лития, что может привести к кристаллизации раствора.

Существующие автоматические системы защиты от кристаллизации обеспечивают надежное срабатывание. Однако практика показывает необходимость дополнительных мер защиты от возникновения кристаллизации в нештатных режимах эксплуатации, возникающих, как правило, при отсутствии должного сервиса: нарушение вакуума АБТН, резкое снижение температуры охлаждающей воды ниже допустимого значения, выход из строя регулирующего клапана подачи пара, повреждение насоса раствора и пр.

Вероятность блокирования проходов кристаллизованным раствором значительно выше у пластинчатых теплообменников чем у кожухотрубных, из-за малых размеров каналов.

Для вывода теплообменника из состояния кристаллизации необходимо прогреть ту часть, где она произошла. Определить эту часть в пластинчатом теплообменнике очень тяжело, а зачастую просто невозможно. Поэтому для восстановления работоспособности АБТН необходимо нагреть теплообменник полностью, что требует много времени, особенно при больших размерах АБТН.

Еще одним фактором, усложняющим раскристаллизацию пластинчатого теплообменника, является более высокое гидравлическое сопротивление, вследствие меньших размеров каналов.

Кожухотрубные теплообменники лишены вышеуказанных проблем, прогрев осуществляется по месту кристаллизации, восстановление работоспособности происходит быстро.

3. Эксплуатационная надежность конструкции трубных пучков теплообменника генератора высокого давления АБТН с прямым сжиганием топлива

АБТН с непосредственным сжиганием топлива предъявляет самые высокие требования к конструктивному исполнению высокотемпературного генератора. Ведущими производителями используется две основных системы: жаротрубная и водотрубная. В жаротрубных системах греющая среда (топочные газы) омывает поверхности нагрева (топочное пространство трубы – т.н. «жаровую трубу») с внутренней стороны, тогда как в водотрубных системах греющая среда омывает поверхности нагрева с наружной стороны, а нагреваемая среда находится внутри трубы.

Рис. 1: Водотрубная схема

Рис. 2: Жаротрубная схема

Недостатки жаротрубной системы высокотемпературного генератора

• Большие габариты (в т. ч. более длинные трубки теплообменника) из-за менее эффективного тепло-массо-обмена
• Длинные трубки теплообменника генератора становятся причиной температурных деформаций, что вызывает разрушение конструкции
• Повышенная взрывоопасность
• Ограниченное общее количество пусков, связанное с температурными деформациями.

Преимущества водотрубных систем в сравнении с жаротрубными

• Высокая эксплуатационная надежность
• Высокая эффективность тепло-массо-обмена, следовательно, меньшие габариты генератора
• Меньшие температурные деформации – следовательно, большая продолжительность безаварийной эксплуатации
• Меньшая инерционность при пуске и остановке
• Меньшая взрывоопасность.

 

Производители AБТН

Во времена Советского Союза на территории страны работали несколько производств, выпускавших абсорбционные холодильные машины и абсорбционные тепловые насосы. Однако технологический уровень изделий, выбор материалов, культура производства были невысоки, надежность и долговечность изделий не отвечали всем ожиданиям покупателей. На долгое время интерес к АБТН в нашей стране был утрачен.

Сейчас существует лишь один отечественный производитель — новосибирское предприятие Теплосибмаш. Однако продукцию этого предприятия нельзя назвать серийной, поскольку годовой объем выпуска измеряется единицами, качество продукции не всегда удовлетворяет современным требованиям, а стоимость отечественных АБТН относительно высока. Сейчас на российском рынке представлены американские (Carrier, Trane, York, Daikin), японские (Sanyo, Ebara, Kawasaki), итальянские (Aermec, RC Group), китайские (Shuangliang Eco-Energy, Broad, Lessar, BlueBox), корейские (LG Air Conditioning, Hyundai), индийские (Thermax) АБТН.

При этом лучшие образцы большинства АБТН произведены в Китае. Технология производства абсорбционных чиллеров и тепловых насосов в Китае в настоящее время существенно опережает технологии традиционных лидеров холодильного мира — Carrier, Trane, York. По этой причине китайские производители выпускают для этих компаний собственную продукцию.

Сегодня на российском рынке покупатель скорее всего будет выбирать между АБТН Shuangliang, Broad, Thermax, LG, Huindai, Lessar, Carrier). При выборе стоит иметь в виду следующие параметры:

— Каким способом происходит распыление раствора бромистого лития.

В самых современных машинах нет форсунок для этого процесса, поскольку при малейшем попадании грязи форсунки выходят из строя. Замена их невозможна. АБТН просто навсегда теряет мощность. Для избежания таких проблем некоторые производители устанавливает фильтр, но он требует сложного обслуживания (поскольку находится в вакуумной среде).

— Какого типа теплообменники установлены в АБТН: кожухотрубные или пластинчатые.

Пластинчатый теплообменник снижает стабильность работы машины в угоду снижения себестоимости для производителя (не для покупателя).

В случае загрязнения раствора или кристаллизации (а такие проблемы могут возникнуть с любой АБТН) пластинчатый теплообменник из-за очень узких каналов забивается, а АБТН выходит из строя. Пластинчатый теплообменник — это всегда повышение рисков для пользователя.

— Каково расположение испарителя и абсорбера в АБТН.

Конструкция АБТН Испаритель-Абсорбер-Испаритель (И-А-И) требует обязательной теплоизоляции АБТН, иначе нет гарантий, что АБТН выйдет на паспортный режим. Это увеличивает стоимость или обязывает проводить доп. работы.

Конструкция с испарителем, расположенным между двух абсорберов (Абсорбер-Испаритель-Абсорбер) позволяет вдвое увеличить расход паров хладагента и уменьшить сопротивление их движению. Также эта конструкция повышает коррозионную стойкость теплообменников и достигается стабильность параметров в течение всего срока службы. При этом не требуется теплоизоляция боковых поверхностей АБТН.

— Как установлены герметичные насосы хладагента и раствора.

Некоторые производители используют отсечные клапаны, якобы для упрощения сервиса. Но лишнее соединение потенциально может привести к утечке вакуума – то есть снижению эффективности АБТН и увеличению нагрузки на вакуумный насос.

— Широко ли представлен бренд на мировом рынке АБТН.

Некоторые производители (в первую очередь американские) сильны в производстве электрических чиллеров и кондиционеров. АБТН для них – побочный бизнес, необходимый в первую очередь для присутствия в этом сегменте. Зачастую у этих брендов маленькие заводы по производству АБТН либо они заказывают эти машины у «безымянных» сторонних производителей.

 

Как правильного выбрать тепловой насос?

1. Оценить техническую возможность установки теплового насоса. Для этого необходимо предоставить параметры:
   — высокотемпературного источника энергии
   — бросового тепла
   — нагреваемого потока.
2. Оптимизировать техническое решение с целью снижения габаритов и стоимости теплового насоса. Например, увеличив расход нагреваемой среды можно снизить максимальную температуру нагрева при той же мощности АБТН. Это позволит уменьшить оборудование.
3. Провести технико-экономический анализ, учитывающий все эффекты от внедрения теплового насоса.
4. Провести пред проектные проработки и выполнить технико-экономическое обоснование всего проекта.

Применения / Промышленные тепловые насосы

Типовые области применения

Процессы сушки
Сушка — важный производственный процесс. В промышленных сушилках применяются различные уровни температуры и принципы сушки. Самый распространенный тип сушилки — это сушилка, в которой воздух нагревается паром, газом или горячей водой, а затем циркулирует по влажному продукту. Поскольку воздух собирает влагу из влажного продукта, его влажность увеличивается, и энергия, содержащаяся в этом потоке, может сделать его полезным источником тепла.Стандартная процедура — выпустить этот влажный воздух или осушить его. Тепловой насос позволяет извлекать тепло из влажного воздуха. Воздух охлаждается и осушается. Температура извлеченного тепла может быть увеличена, и его можно использовать для нагрева сушилки.

Таким образом, тепловой насос служит двум целям — нагревает сушилку, осушает и рециркулирует воздух. Благодаря этому сушка с помощью теплового насоса может обеспечить высокую эффективность. Это инновационное применение теплового насоса было реализовано на практике; тепловой насос для сушки картофеля.

Подробнее о процессах сушки.

Процессы мойки
В промышленности происходит множество процессов мойки. В основном это процессы, при которых на продукт поливают горячей водой, иногда смешанной с растворителем. Моющая установка часто оснащена вентилятором для выпуска воздуха, чтобы предотвратить выход пара из установки через входное и выходное отверстия и другие отверстия в стиральной машине. Выпуск воздуха будет выдувать влажный горячий воздух в окружающую среду и поддерживать пониженное давление внутри стиральной машины.Выпускаемый воздух содержит большое количество энергии. С помощью теплового насоса можно использовать тепло от нагнетаемого воздуха для нагрева воды для стирки.
Подробнее …

Нагрев технологической воды отходящим теплом холодильной системы
Обычно пищевая промышленность производит продукты, которые необходимо охлаждать или замораживать перед транспортировкой и / или потреблением / использованием. С другой стороны, горячая вода необходима для процесса и для очистки. Отработанное тепло из холодильной системы имеет температуру от 25 до 30 ° C.При использовании дополнительного теплового насоса отработанное тепло со стороны конденсации холодильной системы используется для нагрева воды до температуры до 80 ° C. Дополнительный тепловой насос будет дополнительно увеличивать давление хладагента из холодильной системы для достижения высоких температур конденсации.
Подробнее
Тепловые насосы на практике

Пастеризация
Для пастеризации продукт необходимо нагреть выше 70 ° C. Затем продукт охлаждают. Таким образом, температура продукта изменяется от холодной до пастеризации до горячей во время пастеризации и снова до холодной после пастеризации.В большинстве процессов пастеризации уже реализован теплообмен между потоками холодного и горячего продукта. Холодный продукт перед пастеризацией используется для предварительного охлаждения продукта сразу после пастеризации или, если смотреть с другой стороны: горячий продукт используется для предварительного нагрева холодного продукта. В дополнение к этому для пастеризации необходимы дополнительное нагревание и охлаждение. Обычно это обеспечивается, например, нагнетанием пара и потоком охлажденной воды. Тепловой насос может быть идеальным решением для извлечения тепла из продукта, который необходимо охладить, и подачи этого тепла при более высокой температуре к продукту, который должен достичь температуры пастеризации.
Подробнее

Другие области применения
Промышленные предприятия предоставляют широкий спектр источников тепла и потенциальных потребителей. Тепловой насос — многообещающий метод, который находит множество применений в промышленности. Чтобы исследовать его осуществимость в вашей конкретной ситуации, может быть проведен щепотечный анализ, а также проверка выполнимости.

% PDF-1.4 % 172 0 объект > эндобдж xref 172 77 0000000016 00000 н. 0000001891 00000 н. 0000002031 00000 н. 0000003084 00000 н. 0000003321 00000 п. 0000003744 00000 н. 0000003796 00000 н. 0000003867 00000 н. 0000003973 00000 н. 0000004025 00000 н. 0000004132 00000 н. 0000004184 00000 п. 0000004236 00000 п. 0000004288 00000 п. 0000004329 00000 н. 0000004428 00000 н. 0000004450 00000 н. 0000004763 00000 н. 0000005005 00000 н. 0000006239 00000 п. 0000006772 00000 н. 0000007173 00000 н. 0000007559 00000 н. 0000021880 00000 п. 0000022131 00000 п. 0000022391 00000 п. 0000036363 00000 п. 0000036777 00000 п. 0000038013 00000 п. 0000038437 00000 п. 0000038459 00000 п. 0000039062 00000 н. 0000039084 00000 п. 0000040319 00000 п. 0000040695 00000 п. 0000055966 00000 п. 0000056206 00000 п. 0000056452 00000 п. 0000057210 00000 п. 0000057232 00000 п. 0000073072 00000 п. 0000073326 00000 п. 0000073456 00000 п. 0000073800 00000 п. 0000075037 00000 п. 0000075695 00000 п. 0000075717 00000 п. 0000076398 00000 п. 0000076420 00000 н. 0000077088 00000 п. 0000077110 00000 п. 0000077825 00000 п. 0000077847 00000 п. 0000080525 00000 п. 0000081896 00000 п. 0000083257 00000 п. 0000083426 00000 п. 0000084797 00000 п. 0000085732 00000 п. 0000085803 00000 п. 0000085874 00000 п. 0000086048 00000 п. 0000086985 00000 п. 0000088779 00000 п. 0000088887 00000 п. 00000 00000 п. 00000 00000 н. 00000 00000 п. 0000090979 00000 н. 0000094014 00000 п. 0000112789 00000 н. 0000129434 00000 н. 0000145838 00000 н. 0000147645 00000 н. 0000177011 00000 н. 0000002087 00000 н. 0000003062 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 173 0 объект > эндобдж 174 0 объект > эндобдж 247 0 объект > поток Hb«f`Pg`g` \ Ā

Геотермальные тепловые насосы | Министерство энергетики

Геотермальные тепловые насосы (GHP), иногда называемые GeoExchange, земные, наземные или водные тепловые насосы, используются с конца 1940-х годов.В качестве обменной среды они используют постоянную температуру земли, а не температуру наружного воздуха.

Хотя во многих частях страны наблюдаются сезонные экстремальные температуры — от палящей жары летом до минусовых морозов зимой — в нескольких футах ниже поверхности земли температура земли остается относительно постоянной. В зависимости от широты температура земли колеблется от 45 ° F (7 ° C) до 75 ° F (21 ° C). Как и в пещере, эта температура земли теплее воздуха над ней зимой и прохладнее воздуха летом.GHP использует это преимущество, обмениваясь теплом с землей через наземный теплообменник.

Как и любой тепловой насос, геотермальные тепловые насосы и тепловые насосы на основе воды могут нагревать, охлаждать и, если таковые имеются, снабжать дом горячей водой. Некоторые модели геотермальных систем доступны с двухскоростными компрессорами и регулируемыми вентиляторами для большего комфорта и экономии энергии. По сравнению с воздушными тепловыми насосами они тише, служат дольше, не требуют особого обслуживания и не зависят от температуры наружного воздуха.

Тепловой насос с двумя источниками энергии объединяет тепловой насос с воздушным источником тепла и геотермальный тепловой насос. Эти устройства сочетают в себе лучшее из обеих систем. Тепловые насосы с двойным источником имеют более высокие показатели эффективности, чем агрегаты с воздушным источником, но не так эффективны, как геотермальные агрегаты. Основное преимущество систем с двумя источниками энергии состоит в том, что они стоят намного дешевле в установке, чем одиночный геотермальный блок, и работают почти так же хорошо.

Несмотря на то, что стоимость установки геотермальной системы может в несколько раз превышать стоимость системы с воздушным источником тепла и холода, дополнительные затраты окупаются за счет экономии энергии через 5–10 лет.Срок службы системы оценивается до 24 лет для внутренних компонентов и 50+ лет для контура заземления. Ежегодно в США устанавливается около 50 000 геотермальных тепловых насосов. Для получения дополнительной информации посетите Международную ассоциацию наземных тепловых насосов.

Тепловые насосы — обзор

4.5 Области применения тепловых насосов

Тепловые насосы обладают значительным потенциалом экономии энергии. Их можно использовать для рекуперации отработанного тепла и повышения его температуры до более полезных уровней.

Недавние исследования и разработки показали, что производительность теплового насоса, вероятно, улучшится в ближайшие годы. Улучшения в конструкции компонентов и в использовании источников отработанного тепла повысят производительность теплового насоса. Более того, новые идеи и оборудование, появившиеся в последнее десятилетие, упростили конструкцию систем отопления и охлаждения с тепловым насосом.

Тепловые насосы появляются и работают так же, как кондиционеры с принудительной циркуляцией воздуха, с тем заметным исключением, что они могут обеспечивать как обогрев, так и охлаждение.Хотя тепловые насосы и кондиционеры требуют использования различных компонентов, они работают по одним и тем же основным принципам.

Тепло естественным образом перетекает от более высокой температуры к более низкой. Тепловые насосы «перекачивают» тепло в обратном направлении, используя относительно небольшое количество высококачественной приводной энергии (электричество, топливо или высокотемпературные отходы тепла). Таким образом, тепловые насосы могут передавать тепло от естественных источников тепла в окружающей среде, таких как воздух, земля или вода, или от искусственных источников тепла, таких как промышленные или бытовые отходы, в здание или промышленное применение.Тепловые насосы также можно использовать для охлаждения. Затем тепло передается в противоположном направлении от охлаждаемого объекта к окружающей среде с более высокой температурой. Иногда избыточное тепло от охлаждения используется для одновременного удовлетворения потребности в тепле.

Когда тепловой насос используется для обеспечения тепла (например, для отопления помещений или нагрева воды), считается, что тепловой насос работает в режиме нагрева; когда используется для отвода тепла (например, для кондиционирования воздуха), он работает в режиме охлаждения. В обоих случаях для привода насоса требуется дополнительная энергия.В целом, эта операция становится энергетически привлекательной, если общая выходная энергия больше, чем энергия, используемая для привода теплового насоса, и экономически привлекательной, если общая стоимость жизненного цикла (включая затраты на установку, техническое обслуживание и эксплуатацию) ниже, чем у конкурирующих устройств. .

Самым распространенным источником тепла для теплового насоса является воздух, хотя вода также используется во многих приложениях. В течение последнего десятилетия земные или геотермальные ресурсы привлекали все большее внимание как источник тепла, особенно в жилых, коммерческих и институциональных применениях.С точки зрения использования, воздух считается наиболее распространенной распределительной средой, в которой тепловой насос обеспечивает как нагрев, так и охлаждение. Только для отопления воздух также является обычной средой, за исключением регионов, где в жилом секторе установлено много систем распределения воды. Энергия, необходимая для приведения в действие теплового насоса, обычно обеспечивается электричеством или ископаемым топливом, например нефтью или газом.

Общие характеристики некоторых типичных имеющихся в продаже систем с тепловыми насосами перечислены в таблице 4.3 для жилого, коммерческого и промышленного секторов. В коммерческом секторе все основные характеристики аналогичны характеристикам жилого сектора, за исключением топливной тяги. В первом секторе можно использовать большее разнообразие видов топлива из-за крупномасштабной эксплуатации, которая подходит для систем двигателей, работающих на ископаемом топливе. В промышленности крупномасштабное использование также приводит к большей гибкости топлива, а источником тепла обычно являются отработанная горячая вода, пар или влажный воздух. Тип используемого радиатора зависит от конкретного производственного процесса.

Таблица 4.3. Типовые характеристики теплового насоса и его применение

	Жилой сектор a	Коммерческий и промышленный b	Район
Первичный источник энергии	Электроэнергия	Электричество, природный газ или нефть	Электричество, природный газ или масло
Источник тепла	Воздух, земля или вода	Воздух, земля или вода	Сточные воды, отработанное тепло, вода или земля
Радиатор	Воздух или вода	Воздух или вода	Вода
Конечное использование	Нагрев и / или охлаждение	Нагрев и / или охлаждение	Нагрев и / или охлаждение

Источник : Dincer and Kanoglu ( 2010)

4.5.1 Применение в жилых помещениях

Отопление и охлаждение частных и многоквартирных домов оказалось успешным и популярным применением тепловых насосов. Существует большое количество разнообразных систем, частично в зависимости от того, предназначены ли они для обогрева и охлаждения или только для обогрева, а также от природы низкотемпературного источника тепла и среды для распределения тепла (холода) в здании (воздух, вода). , так далее.).

Тепловые насосы для отопления и охлаждения жилых помещений можно разделить на четыре основные категории в зависимости от их рабочих функций:

•

Тепловые насосы только для отопления для систем отопления и / или водяного отопления

•

Тепловые насосы для отопления и охлаждения как для обогрева, так и для охлаждения помещений

•

Интегрированные системы тепловых насосов для отопления и охлаждения помещений, нагрева воды, а иногда и рекуперации тепла вытяжного воздуха

•

Водонагреватели с тепловым насосом для водяное отопление

Диапазон применений тепловых насосов для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха представлен и классифицирован на рис.4.5.

Рисунок 4.5. Классификация применений тепловых насосов для отопления, охлаждения и кондиционирования воздуха.

4.5.2 Промышленное применение

Тепловые насосы доступны для многих промышленных процессов, от нефтехимической и целлюлозно-бумажной отраслей до пищевой промышленности. Области применения приложений включают нагрев / охлаждение помещений и нагрев / охлаждение технологической воды, производство пара, сушку, осушение, испарение и дистилляцию, а также процессы концентрирования.

Таблица 4.4 обобщает применение тепловых насосов в различных промышленных процессах. Таблица не является исчерпывающей, но в ней указаны наиболее распространенные промышленные применения и типы тепловых насосов.

Таблица 4.4. Сводка избранных применений теплового насоса в промышленной и производственной деятельности

Промышленность	Деятельность	Процесс	Тип теплового насоса
Нефть	Переработка нефти и дистилляция нефтехимических продуктов	Разделение (например,g., пропан / пропилен и бутан / бутилен)	Механическое сжатие пара, открытый цикл
Химические вещества	Производство неорганической соли (например, соли и карбоната натрия)	Концентрация потока отходов для снижения гидравлической нагрузки на очистных сооружениях
	Очистка технологических стоков
	Рекуперация тепла	Пар или сжатие пара низкого давления для использования в качестве теплоносителя
	Фармацевтические препараты	Нагрев технологической воды
Изделия из дерева	Производство целлюлозы	Концентрация черного щелока
	Производство бумаги	Нагрев технологической воды	Механическое сжатие
		Мгновенное восстановление пара	Термокомпрессия
	Производство пиломатериалов	Сушка продукта	Механическое выпаривание или сжатие, открытый цикл
Продукты питания и напитки	Производство безалкогольных напитков / алкоголя	Концентрация сточных вод
	Фрезерование влажной кукурузы / производство кукурузного сиропа	Концентрация глубокой воды и сиропа	Механическое сжатие пара, открытый цикл, термокомпрессия
	Рафинирование сахара	Концентрация раствора сахара
	Молочные продукты	Концентрация молока и сыворотки	Механическое сжатие пара, открытый цикл
	Производство сока	Концентрация сока
	Пищевые продукты общего назначения производство продукции	Технологическая вода для нагрева и очистки
Энергетика	Атомная энергия	Концентрация радиоактивных отходов
		Концентрация продувки градирни
Разное	Питьевая ватт обработка	Опреснение морской воды
	Отгонка пара (сточные воды или технологические потоки)	Утилизация мгновенного пара	Термокомпрессия, открытый цикл
	Гальваническая промышленность	Нагрев технологических растворов	Механическое сжатие пара, открытый цикл
		Концентрация сточных вод
	Текстильная промышленность	Нагревание технологической воды и промывочной воды
		Обогрев помещений
		Концентрация разбавленного потока пробы
	Общее производство	Нагрев технологической воды и промывочной воды
		Пространство отопление
	Централизованное теплоснабжение	Крупномасштабное отопление помещений
	Восстановление растворителя	Удаление растворителя из воздушных потоков

Источник : U.S. DOE (2009)

Некоторые новые применения тепловых насосных систем в различных энергоемких отраслях промышленности представлены и классифицированы на рис. 4.6.

Рисунок 4.6. Обобщенная классификация новых применений технологий тепловых насосов.

По материалам Chua et al. (2010).

Всесторонний обзор достижений и применений промышленных тепловых насосов на основе практики в Китае

Основные моменты

•

Впервые всесторонний обзор промышленных тепловых насосов в Китае.

•

Обсуждаются достижения в области исследований и применения промышленных тепловых насосов в Китае.

•

Подробно рассматриваются три типичных примера использования промышленных тепловых насосов.

•

В нем определены потребности в дальнейших исследованиях промышленных тепловых насосов в Китае.

Реферат

Промышленный тепловой насос может переводить тепло с низкого уровня температуры на высокий с помощью внешнего источника энергии.В последние годы в Китае ему уделяется большое внимание как эффективному средству утилизации отработанной энергии. В этой статье суммируются результаты исследований и достижений в области применения промышленных тепловых насосных систем в Китае, включая достижения в области хладагентов, многоступенчатой ​​системы, абсорбционной системы двойного действия, системы сжатия-абсорбции, системы с использованием солнечной энергии и системы химического теплового насоса. Подробно обсуждаются промышленные тепловые насосы, используемые в трех промышленных областях (сушка шлама сточных вод, нагрев сырой нефти в нефтяных месторождениях и технологический нагрев в печати и крашении).Три основные проблемы при проектировании инженерной системы теплового насоса, т. Е. Выбор типа теплового насоса и определение его мощности, энергетический и эксергетический анализ теплового насоса и оценка срока окупаемости инвестиций, обсуждаются в трех вышеупомянутых отраслях, соответственно. . Предлагаются дальнейшие исследования в Китае по промышленным тепловым насосам, которые также могут быть полезны для международного сообщества.

Ключевые слова

Промышленный тепловой насос

Рекуперация отходящего тепла

Хладагенты

Промышленное применение

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Полный текст

© 2016 Elsevier Ltd.Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

Приложения термодинамики: тепловые насосы и холодильники

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Опишите использование тепловых двигателей в тепловых насосах и холодильниках.
• Продемонстрируйте, как тепловой насос работает для обогрева внутреннего пространства.
• Объясните разницу между тепловыми насосами и холодильниками.
• Рассчитайте коэффициент полезного действия теплового насоса.

Рис. 1. Практически в каждом доме есть холодильник. Большинство людей не осознают, что они тоже делят свои дома с тепловым насосом. (кредит: Id1337x, Wikimedia Commons)

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют передачу тепла от холода к горячему. Это тепловые двигатели, работающие задом наперед. Мы говорим «в обратном направлении», а не в обратном направлении, потому что, за исключением двигателей Карно, все тепловые двигатели, хотя они и могут работать в обратном направлении, не могут быть полностью реверсированы.Передача тепла происходит из холодного резервуара Q _c и в горячий. Для этого требуется рабочая мощность Вт , которая также преобразуется в теплопередачу. Таким образом, теплопередача к горячему резервуару составляет Q _h = Q _c + W . (Обратите внимание, что Q _h , Q _c и W положительные, их направления указаны на схемах, а не знаком.) Тепловой насос предназначен для передачи тепла Q _h происходить в теплой среде, например, в доме зимой.Задача кондиционеров и холодильников заключается в том, чтобы передача тепла Q _c происходила из прохладной окружающей среды, такой как охлаждение комнаты или хранение продуктов при более низких температурах, чем окружающая среда. (На самом деле тепловой насос можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения помещения. По сути, это кондиционер и нагревательный элемент в одном устройстве. В этом разделе мы сконцентрируемся на его режиме обогрева.)

Рис. 2. Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники — это тепловые двигатели, работающие в обратном направлении.Показанный здесь основан на (реверсивном) двигателе Карно. (а) Принципиальная схема, показывающая передачу тепла из холодного резервуара в теплый резервуар с помощью теплового насоса. Направления W , Q _h и Q _c противоположны направлениям в тепловом двигателе. (b) диаграмма для цикла Карно, аналогичная показанной на рисунке 3, но в обратном порядке по пути ADCBA. Площадь внутри цикла отрицательная, что означает, что имеется сетевой ввод. Имеется передача тепла Q _c в систему из холодного резервуара по пути DC и передача тепла Q _h из системы в горячий резервуар по пути BA.

Тепловые насосы

Большим преимуществом использования теплового насоса для поддержания тепла в доме, а не просто сжигания топлива, является то, что тепловой насос подает Q _h = Q _c + W . Теплоотдача происходит от наружного воздуха даже при температуре ниже точки замерзания во внутреннее пространство. Вы платите только за W и получаете дополнительную теплоотдачу Q _c извне бесплатно; во многих случаях в отапливаемое пространство передается как минимум вдвое больше энергии, чем используется для работы теплового насоса.Когда вы сжигаете топливо, чтобы согреться, вы платите за все. Недостатком является то, что входная работа (требуемая вторым законом термодинамики) иногда бывает дороже, чем простое сжигание топлива, особенно если работа выполняется за счет электроэнергии.

Основные компоненты теплового насоса в режиме нагрева показаны на рисунке 3. Используется рабочая жидкость, например хладагент, не содержащий CFC. В наружных змеевиках (испарителе) теплопередача Q _c происходит к рабочему телу из холодного наружного воздуха, превращая его в газ.

Рис. 3. Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) конденсатор, (2) расширительный клапан, (3) испаритель и (4) компрессор. В режиме обогрева теплопередача Q _c происходит к рабочему телу в испарителе (3) из более холодного наружного воздуха, превращая его в газ. Компрессор с электрическим приводом (4) увеличивает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора (1) внутри отапливаемого пространства. Поскольку температура газа выше, чем температура в комнате, передача тепла от газа к комнате происходит, когда газ конденсируется в жидкость.Затем рабочая жидкость охлаждается, поскольку она течет обратно через расширительный клапан (2) к змеевикам испарителя наружного блока.

Компрессор с электрическим приводом (рабочая мощность W ) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, которые находятся внутри отапливаемого пространства. Поскольку температура газа выше, чем температура внутри комнаты, происходит передача тепла в комнату, и газ конденсируется в жидкость. Затем жидкость течет обратно через редукционный клапан к змеевикам испарителя наружного блока, охлаждаясь за счет расширения.(В цикле охлаждения змеевики испарителя и конденсатора меняются ролями, и направление потока жидкости меняется на противоположное.)

О качестве теплового насоса судят по тому, сколько тепла Q _ч происходит в теплое пространство, по сравнению с тем, сколько требуется трудозатрат W . Исходя из соотношения между тем, что вы получаете, и тем, что вы тратите, мы определяем коэффициент полезного действия теплового насоса ( COP _{л.с. {Q _ {\ text {h}}} {W} \\ [/ latex].}

Поскольку эффективность теплового двигателя составляет [латекс] Eff = \ frac {W} {Q _ {\ text {h}}} \\ [/ latex], мы видим, что [латекс] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} \\ [/ latex], важный и интересный факт. Во-первых, поскольку КПД любого теплового двигателя меньше 1, это означает, что COP _л.с. всегда больше 1, то есть тепловой насос всегда имеет большую теплопередачу Q _ч , чем затраченная работа. Это. Во-вторых, это означает, что тепловые насосы лучше всего работают при небольших перепадах температур.Эффективность идеального двигателя Карно составляет [латексный] Eff _ {\ text {C}} = 1- \ left (\ frac {T _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {h}}} \ справа) \\ [/ латекс]; таким образом, чем меньше разница температур, тем меньше КПД и больше COP _л.с. (потому что [латекс] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} \\ [/ latex] ). Другими словами, тепловые насосы не так хорошо работают в очень холодном климате, как в более умеренном.

Трение и другие необратимые процессы снижают эффективность теплового двигателя, но они приносят пользу работе теплового насоса , а не — вместо этого они уменьшают затраты труда, преобразовывая часть его в теплообмен обратно в холодный резервуар, прежде чем он попадет в Тепловой насос.

Рис. 4. Когда настоящий тепловой двигатель работает в обратном направлении, часть запланированной работы ( W ) идет на теплопередачу, прежде чем она попадет в тепловую машину, тем самым снижая ее коэффициент полезного действия. На этом рисунке W ′ представляет собой часть W , которая поступает в тепловой насос, в то время как остаток W теряется в виде теплоты трения ( Q _f ) в холодный резервуар. Если бы весь W пошел в тепловой насос, то Q _h было бы больше.В лучшем тепловом насосе используются адиабатические и изотермические процессы, поскольку теоретически не было бы диссипативных процессов, снижающих передачу тепла к горячему резервуару.

Пример 1. Лучший [латексный] COP _ {\ text {hp}} \\ [/ latex] теплового насоса для домашнего использования

Тепловой насос, используемый для обогрева дома, должен использовать цикл, который производит рабочую жидкость при температурах выше, чем типичная температура в помещении, чтобы могла происходить передача тепла внутрь. Точно так же он должен производить рабочую жидкость при температурах ниже, чем температура наружного воздуха, чтобы передача тепла происходила извне.Следовательно, его горячая и холодная температура резервуара не может быть слишком близкой, что ограничивает его COP _л.с. . (См. Рис. 5.) Каков наилучший возможный коэффициент полезного действия для такого теплового насоса, если температура горячего резервуара составляет 45,0 ° C, а температура холодного резервуара —15,0 ° C?

Стратегия

Перевернутый двигатель Карно будет работать с максимальной производительностью в качестве теплового насоса. Как отмечалось выше, [latex] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} \\ [/ latex], поэтому нам нужно сначала вычислить эффективность Карно, чтобы решить эту проблему.

Решение

Эффективность Карно по абсолютной температуре определяется по формуле:

[латекс] Eff _ {\ text {C}} = 1- \ frac {T _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {h}}} \\ [/ latex].

Температура в кельвинах составляет T _h = 318 K и T _c = 258 K, так что

[латекс] Eff _ {\ text {C}} = 1- \ frac {258 \ text {K}} {318 \ text {K}} = 0,1887 \\ [/ latex].

Таким образом, из обсуждения выше,

[латекс] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} = \ frac {1} {0.1887} = 5,30 \\ [/ latex], или [латекс] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {Q _ {\ text {h}}} {W} = \ frac {1} {0,1887} = 5,30 \\ [/ latex] так что Q _h = 5,30 W.

Обсуждение

Этот результат означает, что теплопередача тепловым насосом в 5,30 раз больше, чем вложенная в него работа. Это будет стоить в 5,30 раза больше для той же теплопередачи от электрического комнатного обогревателя, чем для теплопередачи, производимой этим тепловым насосом. Это не нарушение сохранения энергии. Холодный окружающий воздух обеспечивает 4.3 Дж на 1 Дж работы от розетки.

Рис. 5. Передача тепла снаружи внутрь, а также работа, проделанная для запуска насоса, происходит в тепловом насосе из приведенного выше примера. Обратите внимание, что холодная температура, создаваемая тепловым насосом, ниже, чем температура наружного воздуха, поэтому происходит передача тепла рабочей жидкости. Компрессор насоса создает температуру выше температуры в помещении для передачи тепла в дом.

Рисунок 6.В жаркую погоду происходит передача тепла от воздуха внутри помещения к воздуху снаружи, охлаждая помещение. В прохладную погоду происходит передача тепла от воздуха снаружи к воздуху внутри, нагревая комнату. Это переключение достигается за счет изменения направления потока рабочей жидкости на противоположное.

Настоящие тепловые насосы работают не так хорошо, как идеальный в предыдущем примере; их значения COP _л.с. колеблются от 2 до 4. Этот диапазон означает, что теплопередача Q _h от тепловых насосов в 2–4 раза больше, чем работа, вложенная в них W .Однако их экономическая осуществимость все еще ограничена, поскольку W обычно поставляется за счет электроэнергии, которая стоит больше на джоуль, чем передача тепла путем сжигания топлива, такого как природный газ. Кроме того, первоначальная стоимость теплового насоса выше, чем у многих печей, поэтому тепловой насос должен работать дольше, чтобы окупить его стоимость. Тепловые насосы, скорее всего, будут экономически лучше там, где зимние температуры мягкие, электричество относительно дешево, а другие виды топлива относительно дороги.Кроме того, поскольку они могут охлаждать и обогревать помещение, они имеют преимущества там, где также желательно охлаждение в летние месяцы. Таким образом, одни из лучших мест для тепловых насосов — теплый летний климат с прохладной зимой. На рисунке 6 показан тепловой насос, который в некоторых странах называется «обратным циклом » или «охладителем сплит-системы » .

Кондиционеры и холодильники

Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения чего-либо в теплой среде. Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холодного к горячему требуется дополнительная работа, а это дорого.О качестве кондиционеров и холодильников судят по тому, сколько тепла Q _c происходит из холодной окружающей среды, по сравнению с тем, сколько работы требуется W . То, что считается преимуществом теплового насоса, в холодильнике считается отходящим теплом. Таким образом, мы определяем коэффициент полезного действия ( COP _ref ) кондиционера или холодильника как

.

[латекс] {COP} _ {\ text {ref}} = \ frac {Q _ {\ text {c}}} {W} \\ [/ latex].

Еще раз отмечая, что Q _h = Q _c + W , мы видим, что кондиционер будет иметь более низкий коэффициент полезного действия, чем тепловой насос, потому что [латекс] {COP} _ { \ text {hp}} = \ frac {Q _ {\ text {h}}} {W} \\ [/ latex] и Q _h больше, чем Q _c . В задачах и упражнениях этого модуля вы покажете, что COP _ref = COP _л.с. — 1 для теплового двигателя, используемого либо в качестве кондиционера, либо в качестве теплового насоса, работающего между двумя одинаковыми температурами.Настоящие кондиционеры и холодильники обычно работают замечательно, имея значения COP _ref в диапазоне от 2 до 6. Эти числа лучше, чем значения COP _л.с. для упомянутых выше тепловых насосов, поскольку разница температур составляет меньше, но они меньше, чем у двигателей Карно, работающих между теми же двумя температурами.

Был разработан тип рейтинговой системы COP , называемый «рейтинг энергоэффективности» ( EER ).Этот рейтинг является примером того, что единицы, не относящиеся к системе СИ, по-прежнему используются и актуальны для потребителей. Чтобы упростить жизнь потребителя, Австралия, Канада, Новая Зеландия и США используют рейтинг Energy Star из 5 звезд — чем больше звездочек, тем более энергоэффективным является устройство. EER s выражены в смешанных единицах британских тепловых единиц (БТЕ) ​​в час нагрева или охлаждения, разделенных на потребляемую мощность в ваттах. Комнатные кондиционеры доступны с EER s в диапазоне от 6 до 12.Эти EER , хотя и не то же самое, что только что описанные, EER хороши для сравнения: чем больше EER , тем дешевле будет эксплуатироваться кондиционер (но тем выше, вероятно, будет цена на него). ).

EER кондиционера или холодильника можно выразить как

[латекс] \ displaystyle {EER} = \ frac {\ frac {Q _ {\ text {c}}} {t_1}} {\ frac {W} {t_2}} \\ [/ latex],

, где Q _c — количество теплопередачи от холодной среды в британских тепловых единицах, t ₁ — время в часах, W — затраченная работа в джоулях и t ₂ — время в секундах.

Стратегии решения проблем термодинамики

1. Изучите ситуацию, чтобы определить, участвует ли тепло, работа или внутренняя энергия . Ищите любую систему, в которой основными методами передачи энергии являются тепло и работа. Тепловые двигатели, тепловые насосы, холодильники и кондиционеры являются примерами таких систем.
2. Определите интересующую систему и нарисуйте помеченную диаграмму системы, показывающую поток энергии.
3. Определите, что именно необходимо определить в проблеме (определите неизвестные) .Письменный список полезен. Максимальная эффективность означает, что задействован двигатель Карно. Эффективность — это не то же самое, что коэффициент полезного действия.
4. Составьте список того, что дано или может быть выведено из указанной проблемы (укажите известные). Обязательно отличите теплопередачу в системе от теплопередачи из системы, а также между затратами работы и производительностью. Во многих ситуациях полезно определить тип процесса, например изотермический или адиабатический.
5. Решите соответствующее уравнение для количества, которое необходимо определить (неизвестное).
6. Подставьте известные величины вместе с их единицами измерения в соответствующее уравнение и получите численные решения с указанием единиц.
7. Проверьте ответ, чтобы узнать, разумен ли он: имеет ли он смысл? Например, КПД всегда меньше 1, тогда как коэффициенты производительности больше 1.

Краткое содержание раздела

• Артефакт второго закона термодинамики — это способность обогревать внутреннее пространство с помощью теплового насоса.Тепловые насосы сжимают холодный окружающий воздух и при этом нагревают его до комнатной температуры без нарушения принципов консервации.
• Чтобы рассчитать коэффициент полезного действия теплового насоса, используйте уравнение [latex] {\ text {COP}} _ {\ text {hp}} = \ frac {{Q} _ {\ text {h}}} {W} \\ [/ латекс].
• Холодильник — это тепловой насос; он забирает теплый окружающий воздух и расширяет его, чтобы охладить.

Концептуальные вопросы

1. Объясните, почему тепловые насосы не работают в очень холодном климате так же хорошо, как в более мягком.То же самое и с холодильниками?
2. В некоторых странах Северной Европы дома строятся без каких-либо систем отопления. Они очень хорошо изолированы и согреваются теплом тела жителей. Однако, когда жителей нет дома, в этих домах все равно тепло. Какое возможное объяснение?
3. Почему холодильники, кондиционеры и тепловые насосы работают наиболее рентабельно для циклов с небольшой разницей между T _h и T _c ? (Обратите внимание, что температура используемого цикла имеет решающее значение для его COP .)
4. Управляющие продуктовыми магазинами утверждают, что летом общее потребление энергии меньше, если в магазине поддерживается низкая температура. Приведите аргументы в поддержку или опровержение этого утверждения, учитывая, что в магазине множество холодильников и морозильников.
5. Можно ли охладить кухню, оставив дверцу холодильника открытой?

Задачи и упражнения

1. Каков КПД идеального теплового насоса с теплопередачей при температуре холода −25?От 0ºC до горячей температуры 40,0ºC?
2. Предположим, у вас есть идеальный холодильник, который охлаждает окружающую среду до –20,0ºC и передает тепло в другую среду при 50,0ºC. Каков его коэффициент полезного действия?
3. Каков наилучший возможный коэффициент полезного действия гипотетического холодильника, который может производить жидкий азот при температуре –200ºC и имеет теплопередачу в окружающую среду при температуре 35,0ºC?
4. В очень мягком зимнем климате тепловой насос передает тепло из окружающей среды на 5.От 00ºC до единицы при 35,0ºC. Каков наилучший возможный коэффициент полезного действия для этих температур? Ясно покажите, как вы следуете шагам, указанным в Стратегиях решения проблем термодинамики.
5. (a) Каков наилучший коэффициент полезного действия теплового насоса с температурой горячего резервуара 50,0 ° C и температурой холодного резервуара -20,0 ° C? (б) Сколько тепла происходит в теплой среде, если в нее вложено 3,60 × 10 ⁷ Дж работы (10,0 кВт · ч)? (c) Если стоимость этих работ составляет 10.0 центов / кВт · ч, как его стоимость по сравнению с прямой теплопередачей, достигаемой за счет сжигания природного газа по цене 85,0 центов за терм. (Термины — это общепринятая единица измерения энергии для природного газа, равная 1,055 × 10 ⁸ Дж.)
6. (a) Каков наилучший коэффициент полезного действия холодильника, который охлаждает окружающую среду до –30,0 ° C и передает тепло в другую среду при 45,0 ° C? (б) Сколько работы в джоулях необходимо сделать для передачи тепла 4186 кДж из холодной среды? (c) Какова стоимость этого, если работа стоит 10.0 центов за 3,60 × 10 ⁶ Дж (киловатт-час)? (d) Сколько кДж теплопередачи происходит в теплую среду? (e) Обсудите, какой тип холодильника может работать при этих температурах.
7. Предположим, вы хотите использовать идеальный холодильник с температурой холода -10,0 ° C и хотите, чтобы он имел коэффициент полезного действия 7,00. Какова температура горячего резервуара у такого холодильника?
8. Рассматривается идеальный тепловой насос для обогрева помещения с температурой 22 ° C.0ºC. Какова температура холодного резервуара, если коэффициент полезного действия насоса должен составлять 12,0?
9. 4-тонный кондиционер удаляет 5,06 × 10 ⁷ Дж (48 000 британских тепловых единиц) из холодной среды за 1,00 час. (a) Какая энергия в джоулях необходима для этого, если кондиционер имеет рейтинг энергоэффективности ( EER ), равный 12,0? (b) Какова стоимость этого, если работа стоит 10,0 центов за 3,60 × 10 ⁶ Дж (один киловатт-час)? (c) Обсудите, насколько реалистична эта стоимость.Обратите внимание, что рейтинг энергоэффективности ( EER ) кондиционера или холодильника определяется как количество британских тепловых единиц теплопередачи из холодной среды в час, деленное на потребляемую мощность в ваттах.
10. Покажите, что коэффициенты производительности холодильников и тепловых насосов связаны соотношением COP _ref = COP _л.с. — 1. Начнем с определений COP s и отношения сохранения энергии между Q _h , Q _c и W .

Глоссарий

тепловой насос: машина, передающая тепло от холода к горячему

Коэффициент полезного действия : для теплового насоса, это отношение теплоотдачи на выходе (горячий резервуар) к произведенной работе; для холодильника или кондиционера это отношение теплоотдачи от холодного резервуара к произведенной работе

Избранные решения проблем и упражнения

1. 4.82

3.0,311

5. (а) 4,61; б) 1,66 × 10 ⁸ Дж или 3,97 × 10 ⁴ ккал; (c) Для передачи 1,66 × 10 ⁸ Дж тепловой насос стоит 1 доллар США, природный газ — 1,34 доллара.

7. 27,6ºC

9. (а) 1,44 × 10 ⁷ Дж; (б) 40 центов; (c) Эта стоимость кажется вполне реальной; в нем говорится, что работа кондиционера в течение всего дня будет стоить 9,59 долларов (если он будет работать непрерывно).

приложений для геотермальной энергии: MNGHPA

Геотермальные или грунтовые тепловые насосы предлагаются в большом количестве вариантов для решения практически любой ситуации.

• Принудительное воздушное отопление и охлаждение с использованием теплового насоса типа вода-воздух и обычных воздуховодов для распределения кондиционированного воздуха.
• Гидравлический излучающий пол (и, возможно, от таяния снега) с использованием теплового насоса вода-вода. Тот же тепловой насос может также охлаждать воду для охлаждения, однако вы должны использовать фанкойл в сочетании с охлажденной водой для охлаждения через систему воздуховода с принудительной подачей воздуха.
• Горячая вода для бытовых нужд — Частичный нагрев воды с помощью пароохладителя / генератора горячей воды, который может быть установлен на любом из различных типов геотермальных тепловых насосов, или для полного нагрева воды для бытового потребления с использованием водяного теплового насоса.Некоторые марки тепловых насосов могут даже иметь возможность нагрева воды по запросу.
• Подогрев воды в бассейне / спа с использованием теплового насоса вода-вода.
• Двухтопливные системы , использующие новую или существующую печь на ископаемом топливе и геотермальную сплит-систему для принудительного нагрева и охлаждения воздуха плюс резервное ископаемое топливо.
• Высокоскоростные канальные системы с принудительной подачей воздуха с водяными змеевиками или хладагентами, подключенными к системе геотермального теплового насоса, обеспечивающей как нагрев, так и охлаждение.
• Plus , геотермальные тепловые насосы можно использовать во многих других областях.

Еще одна замечательная особенность геотермальных тепловых насосов — это то, что они легко масштабируются. Это означает, что их можно использовать в зданиях любого размера от:

• малые жилые дома, коттеджи и многоквартирные дома
• Школы и общественные здания
• Офисные здания, большие или малые
• Торговые центры и магазины
• Производственные мощности
• Правительственные здания, ратуши, центры юстиции и т. Д.
• , включая крупнейший проект в стране, где весь университетский городок был переведен на геотермальное отопление и охлаждение
• и все, что между

… так что с геотермальной технологией все потребители энергии могут воспользоваться множеством преимуществ, которые она предлагает.

Обратитесь к разделу «Поиск профессионала», чтобы получить информацию о квалифицированном профессиональном установщике геотермальной энергии в вашем регионе, чтобы узнать, какая система лучше всего подходит для вашей конкретной ситуации.