Тепловые насосы

В качестве основных источников энергии на Земле используются ископаемые не возобновляемые виды топлива: уголь, нефть, газ, урановая руда для атомной энергетики. Они добываются из земных недр и сжигаются для получения энергии.

В последнее время в мире все больше возрастает интерес к альтернативным источникам энергии: энергии солнца, ветра, морских приливов и т.п. Освоение и использование новых источников энергии стало популярным трендом мировой энергетики. Данные источники энергии не случайно называются возобновляемыми, в отличии традиционных ископаемых, так как их использование не ведет к их истощению. Важно отметить, что возобновляемые альтернативные источники энергии являются экологически безопасными - не наносят ущерб окружающей среде.

Одним из альтернативных источников является технология тепловых насосов. Тепловые насосы - это устройства способные переносить тепловую энергию от низкопотенциального источника на более высокий температурный уровень. Прямое использование тепла на низком температурном уровне проблематично, поэтому его необходимо трансформировать, перевести на более высокий температурный уровень. В этом случае появляется возможность применения низкопотенциальных источников энергии: атмосферного воздуха, грунта, грунтовых вод, поверхностных воды (реки, водоемы), техногенного тепла. Теоретически, тепловой насос может забрать тепловую энергию у любого объекта с положительным температурным потенциалом.

Существует 2 типа тепловых насосов:

• парокомпрессионные;
• абсорбционные.

В парокомпрессионных тепловых насосах используется принцип изменения фазового и термодинамического состояния рабочих веществ. Абсорбционные холодильные машины работают по принципу, который основан на свойствах хладагента и абсорбента.

Парокомпрессионные тепловые насосы по источнику забора тепла и среды нагрева делятся на 4 основных типа:

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

Отдельно можно говорить о геотермальном парокомпрессионном тепловом насосе, в котором используется тепло грунта. Источник низкопотенциального тепла должен иметь стабильную положительную, желательно высокую, температуру, быть возобновляемым, не быть коррозионно активным. Кроме этого, важно, чтобы он имел нужные теплофизические характеристики и низкие эксплуатационные расходы.

Принципиальная схема парокомпрессионного теплового насоса в системе нагрева выглядит следующим образом:

Tw1- температура воды от потребителя на входе в переохладитель

Tw2 – температура воды на выходе из конденсатора к потребителю

Ts1 - температура воды от источника НПТ на входе в испаритель

Ts2 - температура воды на выходе из испаритель к источнику НПТ

Рис.1

Как и холодильная установка, тепловой насос состоит из теплообменников испарителя и конденсатора, компрессора и дроссельного устройства, но в схеме теплового насоса также присутствует переохладитель.

Работает тепловой насос по обратному термодинамическому циклу Ренкина, перекачивая тепло от менее нагретого тела более нагретому, затрачивая на это электрическую энергию.

Эффективность работы теплового насоса определяется коэффициентом преобразования:

Т.е. отношением тепла, переданного потребителю (Q_п) к электрической мощности, затраченной на преобразование (P_эл).

Коэффициент преобразования по формуле идеального цикла Карно:

φ= T_k /(T_k –T_e), где

T_k - температура конденсации

T_e - температура испарения

Если рассматривать тепловой насос «вода-вода», то

T_k = T_w2 + (5~10)°С, а

T_e= T_s2 –(2~4)°С

Таким образом, если мы будем повышать температуру низкопотенциального источника тепла и понижать температуру воды для потребителя, т.е. уменьшать разность между T_k и T_e, коэффициент преобразования будет повышаться. На практике эта разность составляет от 30 до 70°С, а коэффициент преобразования от 2 до 5.

Кроме того, во влажном климате при температуре воздуха от 0 до 6°С на поверхности наружного теплообменника в режиме обогрева образуется иней, что в дальнейшем ведет к обледенению. Иней и лед препятствуют нормальному теплообмену, это снижает эффективность работы системы. Для нормализации работы предусматривается режим «разморозки» испарителя. Это дополнительные затраты электроэнергии и снижения эффективности.

Воздух, как источник низкопотенциального тепла является самым предпочтительным, т.к. обладает рядом преимуществ - доступность и бесплатность. Но есть и ограничения его применения. Ограничения по использованию тепловых насосов «воздух-воздух» связано с сезонностью их применения. Дело в том, что при понижении температуры окружающего воздуха резко снижается мощность установки. При большой разнице температуры конденсации и испарения снижения коэффициент энергоэффективности.

Принципиальная схема теплового насоса «воздух-воздух» на рис.2

Рис 2.

В тепловых насосах «вода-вода» источником низкопотенциального тепла является вода. Это может быть вода рек, озер, грунтовых вод, морская вода, техногенная вода. Вода рек и озер, как источник низкопотенциального тепла имеет недостаток - низкую температуру воды в водоеме в зимний период года. В неглубоких водоемах она приближается к 0°С.

Для систем средней или большой мощности привлекательным источником тепла может стать морская вода, которая на глубине от 25 до 50м имеет постоянную температуру 5~8°С.

Разновидностью тепловых наосов «вода-вода» являются геотермальные насосы, источником тепла в которых являются грунтовые воды. Геотермальные насосы являются наиболее эффективной группой оборудования из тепловых насосов, поскольку грунтовые воды в основном имеют стабильную температуру 7~12°C, в результате чего обеспечивается наименьшая разность температур кипения (T_k) и испарения (T_e), что дает возможность получить высокий коэффициент преобразования.

Принцип работы данных тепловых насосов следующий: вода из водозаборных подающих скважин с помощью циркуляционных насосов подается в испаритель, затем охлажденная вода поступает на вход в водоприемную скважину (рис.3).

Мощность системы определяется глубиной и диаметром скважин.

Рис.3

Главное условие, которое должно выполняться в этих системах это то, чтобы забор и возврат воды осуществлялись в направлении движения грунтовых вод, с целью исключения вероятности так называемого «байпасирования».

Также следует иметь ввиду, что между подающей и приемной скважинами должно быть определенной расстояние, это необходимо для того, чтобы исключить понижение температуры воды, которая поступает в подающую скважину. Если система небольшая, то расстояние должно быть не менее 5 м. Если система большая и количество подающих и приемных скважин, например около 9 шт., то для того чтобы исключить их взаимное влияние, расстояние между группами подающих и приемных скважин должно быть не менее 50м.

Термин геотермальный происходит от греческого «гео» - земля и «термо» - тепло, другими словами тепло Земных недр. В глубинах Земли вырабатывается и поднимается на поверхность тепловая энергия. Температура в центре Земли достигает примерно 6000°С, при этом мощность теплового потока, который достигает поверхности земли составляет всего 0,03–0,12 Вт/м, в год около 350 Вт·ч/м². Это незначительная величина, если сравнить ее с тепловой энергией, которую получает земная поверхность от Солнца.

В среднем, в зависимости от широты и климатических факторов, количество солнечной энергии составляет около 4000 кВт·ч за год, то есть в 10 000 раз больше, чем тепла от ядра Земли. Низкий тепловой поток у поверхности Земли от энергии земных недр объясняется низкой теплопроводностью горных пород и геологическим строением. Следует отметить, что тепло земной поверхности на глубине от нескольких десятков до нескольких сотен метров это не тепловая энергия земных недр, а аккумулируемое тепло Солнца. Средняя температура земли на глубине нескольких десятков до нескольких сотен метров примерно равна среднегодовой температуре окружающего воздуха.

Геотермальные тепловые насосы бывают замкнутого и открытого типа. В насосах замкнутого типа, теплообменная жидкость циркулирует по замкнутому контуру. В насосах открытого типа теплообменная жидкость, пройдя через тепловой насос, возвращается обратно в землю.

Насосы замкнутого типа делятся на:

• горизонтальные;
• вертикальные;
• водяные;
• с непосредственным теплообменом.

В горизонтальных насосах предполагается горизонтальная укладка теплообменного коллектора (рис.4). В качестве источника тепла в них используется грунт или подпочвенные грунтовые воды, которые в течение всего года имеют стабильную температуру.

Рис.4

Схемы укладки теплообменного коллектора насоса горизонтального типа могут быть разнообразными (рис.5): последовательное соединение труб, параллельное соединение, коллекторное соединение, в виде петли и спиралеобразно.

Рис.5

В качестве коллектора используются пластиковые или полихлорвиниловые трубы, которые укладываются в грунт на глубину 1,2~1,5м таким образом, чтобы на каждый кв. метр площади было 1,5~2,0 м длины трубы. По системе коллектора может циркулировать раствор антифриза и в этом случае промерзание грунта в зоне прокладки труб не оказывает влияние на работоспособность установки. Главное предостережение состоит в том, чтобы на площади укладки коллектора не сажать растения с глубокими корнями, так как низкая температура грунта может нанести им вред.

Площадь поверхности теплообмена зависит от теплофизических свойств грунта и климатических условий местности. Теплоаккумулирующие свойства грунта тем выше, чем насыщеннее грунт водой, минеральными солями, а также отсутствием воздушных пор. Если прокладывать трубы с шагом 0,5~0,7м, то мощность теплосъема будет составлять от 10 до 35 Вт/м².

Для насосов с горизонтальной укладкой требуется использования большой площадь участка, что не всегда представляется возможным. Недостаток систем с горизонтальным теплообменным коллектором - это большие затраты на проведение земельных работ. Поэтому в иных случаях применяются насосы с вертикальным расположением коллектора, так называемые грунтовые зонды (рис.6).

Рис.6

Грунтовые зонды могут располагаться не строго вертикально, а под углом. Глубина монтажа зондов от 50 до 200м. Удельный тепловой поток в зависимости от состава грунта составляет 20~100Вт/м длины зонда.

Если тепловой поток грунта около 50Вт/м и необходимая тепловая мощность насоса должна составлять 10кВт, то длина зонда должна составлять около 130м. Или же, можно использовать два зонда по 65м.

Главное условие, чтобы забор и возврат воды был по направлению течения грунтовых вод, с целью исключения их байпасирования. Недостаток систем с вертикальным теплообменным коллектором - это большие затраты на проведение работ по бурению скважин.

Эффективность применения тепловых насосов обусловлена максимально возможной температурой воды выходе - около 45°С. В отоплении наиболее эффективно применять такую воду для обогрева в системах теплых полов и фанкойлах.

В обогреве помещений также возможно применение в бивалентных системах отопления. Когда тепловые насосы покрывают 50~70% потребности в тепловой энергии, а пиковые нагрузки покрываются за счет дополнительных источников тепла, например электрических, угольных, газовых котлов. Тепловые насосы находят свое применение в системах горячего водоснабжения (ГВС).

По сравнению с котельными на органическом топливе, годовые затраты на неэнергетическую часть для тепловых насосов выше. Поэтому применение тепловых насосов вместо автономных котельных может быть экономически оправдано, если стоимость сэкономленного топлива в течение 2~4 лет превышает или равна увеличению неэнергетической части годовых затрат, т.е. капитальных затрат, затрат на обслуживание и ремонт.

Экономия топлива рассчитывается по формуле (1):

ΔG =G_k (1- K_k/K_T), где

G_k – расход топлива в котельной в тоннах условного топлива (т.у.т.)

(Низшая теплотворная способность одной т.у.т. Q_н= 7000Mкал/т)

K_k – коэфф. использования первичной энергии в котельной

K_TН – коэфф. использования первичной энергии в тепловом насосе.

Для котельной:

η_k- коэффициент полезного действия котла

Для теплового насоса:

φ –коэфф. преобразования;

η_ээ – коэфф. полезного действия производства электроэнергии (в случае использования теплового насоса с электроприводом).

Для примера сравним два альтернативных источника тепла: автономную котельную на угле и тепловой насос типа «вода - вода».

Предположим, что котельная за один отопительный сезон потребляет 1000 т.у.т. угля, т.е. 7,0 Гкал. Если теплотворная способность угля составляет 5,0 Гкал/т, то расход реального топлива составит 1400 натурального угля за отопительный сезон.

При коэффициенте полезного действия котла ηk = 0.6, количество полезного тепла в год составит 4200 Гкал.

Так как в котельной, кроме основного должен быть установлен еще и резервный котел, то должно быть установлено два котла по 0,8Гкал каждый. В альтернативном варианте должно быть установлено два тепловых насоса «вода-вода» тепловой мощностью 0,8Гкал или 928кВт каждый.

Предположим, что тепловой насос работает в условиях грунтовой воды с температурой 7°С, температурой воды на выходе 60 °С и коэффициентом преобразования φ=3,0.

Экономия топлива рассчитывается по формуле:

ΔG =1000 (1- η_K/φ η_ээ), где

η_K- коэффициент полезного действия котла

φ – коэффициент преобразования

η_ээ - коэффициент полезного действия производства электроэнергии (в случае использования теплового насоса с электроприводом)

ΔG =1000 (1-0,6/033) = 394 т.у.т

Таким образом, если при сжигании одной тонны условного топлива выделяется 7 Гкал, то при сжигании 394 т.у.т выделится 2758Гкал.

При теплотворной способности угля 5,0 Гкал/т масса натурального угля составит:

2758 : 5 =551,6 т за год.

Если стоимость угля составляет 1300 руб/т, то экономия в денежном выражении составила 717,08 тысяч руб.

Капитальные затраты на покупку оборудования, технологическую обвязку, монтаж и пуско-наладку котельного оборудования составили 2,8 млн. рублей. Капитальные затраты на покупку оборудования, технологическую обвязку, бурение скважин, монтаж пуско-наладку, систему трубопроводов для тепловых насосов составили 5,0 млн. рублей.

Срок окупаемости составит:

Экономическая целесообразность использования тепловых насосов определяется отношением стоимости 1кВт•ч электрической энергии (Ц_ээ) к стоимости 1кВт•ч энергии топлива (Ц_т) в данном регионе. Приемлемый срок окупаемости тепловых насосов должен быть 2~4 года при отношении Ц_ээ/Ц_т ≤ 3.