Viessmann

Тепловые насосы - высочайшая энергоэффективность

Игорь Кениг, ведущий инженер Академии Виссманн Россия

В последнее время наш потребитель все чаще обращает внимание на такой новый для России вид отопительного оборудования как тепловой насос. Тепловой насос является идеальным комплексным решением проблем отопления и охлаждения помещений, нагрева ГВС и бассейна и других теплотехнических задач здания. Кроме того, тепловой насос имеет чрезвычайно большой срок службы, не наносит вреда окружающей среде, и полностью взрыво- и пожаробезопасен, - говорит Игорь Кениг, ведущий инженер Академии Виссманн Россия.

Принципиальная конструкция теплового насоса была разработана в 1852 году выдающимся британским физиком и инженером Лордом Кельвином и в дальнейшем усовершенствована и детализирована австрийским инженером Петером Риттер фон Риттингером, именно его  считают изобретателем теплового насоса,  он спроектировал и установил первый известный тепловой насос в 1855 году. Но практическое применение тепловой насос приобрел значительно позже, а точнее, в 40-х годах ХХ века, тогда же направление развития теплонасосных установок было выбрано приоритетным и в СССР.

Как это работает? Термодинамически тепловой насос аналогичен холодильной машине. Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель — теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы или нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

 

Принцип работы теплового насоса строится на том, что в испаритель (первичный теплообменник) подается среда низкопотенциального источника тепла (уличный воздух, незамерзающая жидкость, нагреваемая в грунтом или грунтовыми водами(рассол)) и происходит нагрев и испарение хладагента во внутреннем контуре теплового насоса (процесс 1-3). В качестве хладагента, как правило, выступают хладоны R407C или R410A. Далее хладагент в паровой фазе поступает в компрессор, где происходит его сжатие и повышение параметров (процесс 3-4).

Далее, хладагент с давлением до 42 бар и температурой до 130 ⁰С поступает в конденсатор, где происходит нагрев теплоносителя системы отопления и конденсация хладагента. Последующее расширение в дроссельном клапане снижает параметры хладагента до первоначального уровня (давление 1-3 бара, температуры до – 30 ⁰С).

Таким образом, любой тепловой насос характеризуется как минимум тремя показателями по мощности:

1. Qт – тепловая мощность теплового насоса, передаваемая к потребителю, кВт.

2. Qх – холодопроизводительность или холодильная мощность, т.е. мощность собираемая от низкотемпературного контура тепла, кВт.

Qе – потребляема я электрическая мощность, затрачиваемая на привод компрессора, автоматики, циркуляционные насосы, кВт.

При этом тепловой насос характеризуется высокой эффективностью использования энергии. Эффективность тепловых насосов принято характеризовать величиной безразмерного коэффициента трансформации энергии Ктр или COP (Coefficient of Performance), т.е. отношения полученной полезной тепловой энергии и затраченной для работы ТН электрической.

Типичной величиной для тепловых насосов на данный момент является значение COP= 4. В современных тепловых насосах, предлагаемыми компанией Viessmann, коэффициент трансформации может достигать величин порядка 7, таким образом на 1 кВт подведенный для работы ТН электроэнергии обеспечить выработку до 7 кВт тепловой. Не стоит забывать о не маловажной особенности при оценке СОР, он не постоянен и его величину фактически будут определять рабочие параметры установки в течении, т.е. разность температур источника низкопотенциального тепла и требуемой температуры подачи.

Для каждой модели теплового насоса эта характеристика индивидуальна, но общий характер показан на Рисунке 4. В точке А тепловой насос работает в благоприятных условиях (для работы в режиме отопления, например, начало отопительного сезона) температура источника тепло после летнего периода достаточно высока, а требуемая температура подачи в отопление наоборот пока низкая, таким образом перепад температур составляет всего 25 К, следовательно СОР≈6. Но если попытаться оценить коэффициент трансформации для того же ТН в условиях работы в зимний период, то мы можем получить совсем другие значения СОР≈3,3 , точка В при  (требуемая температура подачи в отопительный контур значительно выше, в то время как после длительной работы за отопительной сезон температура источника значительно снизилась).

Следствием данного факта станет специфика в применения тепловых насосов:  тепловые насосы способны обеспечить высокие среднегодовые показатели коэффициента мощности только при работе с низкотемпературными системами отопления (снижение температуры подачи в отопительный контур на 1 К будет приводить в повышению коэффициента мощности на 2,5%). Потенциально существует возможность повысить температуру источника тепла, но воспользоваться ею значительно сложнее, место установки оборудования уже выбрано. Но возможность даже более выгодная, повышение на 1К температуры источника теплоты приводит к повышению СОР на 2,7%.

Таким образом, верный выбор источника низкопотенциального тепла залог высокоэффективной и стабильной эксплуатации теплонасосной установки.

Первичный контур тепла.

В качестве первичного источника энергии для тепловых насосов широкое применение в мире получили несколько типов установок, которые между собой довольно сильно отличаются по стоимости капитальных затрат и эффективности, поэтому на выборе данного решения стоит остановиться поподробнее:

 

1 - Земляные коллекторы.

Система низкопотенциального контура теплового насоса с использованием земляных коллекторов очень похожа по устройству на контур теплого пола. Змеевики из полиэтилена укладываются под поверхностью земли на глубине 20-30 см ниже глубины промерзания в регионе установки и шагом 50-70 см в зависимости от диаметра трубопроводов. Контур заполняется незамерзающей жидкостью с температурой замерзания не выше – 15 ⁰С, т.к. в отопительный период возможно падение температуры обратной магистрали до – 5 ÷ –7 ⁰С.

Главной задачей при эксплуатации системы с земляными коллекторами не допустить перемораживания змеевиков из-за сверхнормативного отбора тела с поверхности земли, т.к. единственным источником первичной энергии в поверхностном слое является Солнце, в зависимости от теплопроводности грунта и климатических условий в месте установки закладывается цифра удельного отбора мощности для грунта qe. Типичные значения для различных видов почв приведены в таблице 1. Таким образом мы сможем определить площадь участка, под которым необходимо проложить коллектор для обеспечения теплого насоса достаточным количеством первичной энергии.

 

Учитывая климатические зоны России, занимаемая змеевиком площадь может стать фактором, препятствующим использованию данной системы обвязки низкопотенциального контура. Так например, в Москве для ТН мощностью 10 кВт и, соответственно, холодопроизводительностью в расчетном режиме 8,4 кВт, необходимо проложить змеевик на площади не менее 400 м2. Также немаловажно, что над проложенным змеевиком не допускается построек, посадка деревьев с мощной корневой системой, т.е. того, что может повредить или затенить поверхность земли. Фактором в пользу этого решения, как правило, становится величина капитальных затрат на устройство низкотемпературного контура теплового насоса: работа не требует специальной квалификации персонала или спецоборудования, кроме экскаватора.

2 - Геотермальные зонды

Зонды, в отличие от коллекторов, используют геотермальное тепло коры планеты, что обеспечивает высочайшую стабильность поступления низкопотенциальной энергии. Принципиально устройство геотермального зонда очень просто.

Производится бурение скважины (или нескольких на рассоянии 5-6 м друг от друга) на глубину до 100-150 м (может потребоваться разрешение Федеральной службы по надзору в сфере природопользования (Росприроднадзор)), в скважину с помощью груза укладывается петля трубопроводов, представляющая собой 2 U-образных зонда из полиэтилена со специальным «наконечником», и в последствии скважина заливается бентонитом, специальным глиняным раствором, обладающим высокой гидрофильностью и теплопроводностью и не позволяющим смешивать пройденные водоносные горизонты, придавая, при этом, высокую статическую устойчивость. В качестве теплоносителя также используется незамерзающая жидкость с температурой замерзания не выше – 15 ⁰С.

Перед бурением необходимо оценить требуемую глубину скважины. Нормативные показатели по отдельным видам пород, без климатической привязки к региону установки, показаны в таблице 2. Таким образом, при использовании земляных зондов в качестве источника низкопотенциального тепла для того же теплового насоса мощностью 10 кВт необходима скважина глубиной около 200 м или 2 по 100 м.

В итоге, по сравнению с земляными коллекторами, зонды конечно требуют бÓльших капитальных вложений, но имеют целый ряд преимуществ:

Минимальная занимаемая полезная площадь, вплоть до размещения скважин непосредственно под постройкой.

2. Стабильность получения тепла, в средних широтах на глубинах уже более 7-10 м поддерживается стабильная в течении года температура 5-10 ⁰С. 3.

Высочайшая надежность и срок службы (гарантийный срок работы скважины, выполненной специалистами, может достигать 70 лет).

3 - Тепло грунтовых вод.

Использование тепла грунтовых вод (как подземных, таки поверхностных) может стать неплохой альтернативой грунтовым системам при потребности в больших мощностях теплового насоса или условии легкой доступности водоемов. Организовываются 2 или более скважины для забора и сброса грунтовых вод, из заборной скважины вода с температурой 3 – 12 ⁰С в зависимости от региона подается в теплообменник, необходимый для защиты испарителя теплового насоса от загрязнения, и нагревает незамерзающую жидкость циркулирующую в первичном контуре установки. Охлажденные, до температуры гарантированной для защиты от замерзания, грунтовые воды сбрасываются в скважину расположенную ниже по направлению движения вод.

Данное исполнение низкотемпературного контура отличается высокой эффективностью за счет высоких температур источника тепла, относительной простотой реализации, невысокой стоимостью. Но препятствием к воплощению может стать недостаточный дебет источника и соответствующие проблемы в работе теплового насоса, а значит обязательно проведение дополнительных инженерно-изыскательных работ.

4 - Воздух окружающей среды.

Самым простым и удобным для реализации системы отопления на основе теплового насоса может оказаться использование воздуха окружающей среды в качестве источника тепла. Воздух из окружающей среды подается непосредственно в испаритель, отдавая тепло хладагенту внутреннего контура ТН, и удаляется наружу.

Данный вид установок позволяет свести к минимуму капитальные затраты на обустройство низкотемпературного контура, но ограничивающим фактором становятся климатические условия установки, в зависимости от модели, воздушные тепловые насосы имеют минимальную рабочую температуру – 15 ÷ – 20 ⁰С. Таким образом, воздушный тепловой насос, в большей части нашей страны, не сможет выступать единственным источником тепла (моновалентный режим работы), а требует резервного теплогенератора для покрытия нагрузки при самых низких температурах (бивалентный режим), в качестве которого может выступать фактически любой котел (газовый, дизельный, твердотопливный или электрический).

5 - Сбросное тепло.

И последним источником первичной энергии для теплового насоса можно упомянуть сбросное тепло, т.е. ту энергию, которая в отсутствии теплового насоса, просто утилизировалась, например, в выбрасывалась в атмосферу.

Примерами таких установок могут быть:

1. Установка теплового насоса на канализационных коллекторах

2. Установка в системах охлаждения

3. Установка в рамках технологического процесса

4. Другие виды

Таким образом, данный вид «низкопотенциального» (температуры могут быть и достаточно высокие) контура для использования с тепловым насосом – это по большей части именно индивидуальное решение и требует индивидуальной же проработки, но, как правило, показывает высочайшие показатели по энергетической эффективности.  

Крупным планом
Оставить комментарий, задать вопрос →
/ Забыли пароль? / Регистрация

Орфография и пунктуация авторов сохранена

Сиянина Лада 11:37 20.07.2012

Вопрос

Какой срок окупаемости для нашего региона? Обычно самый главный и простой вопрос...

Именно для Московской области.

С уважением, Лада.


Viessmann 16:40 29.08.2012


Какой срок окупаемости для нашего региона? Обычно самый главный и простой вопрос...

Здравствуйте,

как раз для Москвы и указаны все цифры: тарифы на топливо, затраты на установку оборудования.

С уважением,

ООО "Виссманн"

Игорь Кениг

keni@viessmann.com

Архитектор месяца / все
Тренд ближайшего времени - упрощение и уменьшение...
Интервью / все
Мир изменился.. опять. Теперь тренд - путь к рациональности в выборе всего, что окружает…
Разговор на тему / все
Шторы для мансардных окон. Новые коллекции VELUX
Технология / все
Паркетные модули. Дуб в разрезе
Интервью / все
Свет в доме. Образовательный курс LIGHT-HUMAN-ARCHITECTURE
Разговор на тему / все
Строим загородный дом. С кем строить? Что необходимо знать, подбирая строителей…
Мастер-класс / все
Батлер сервис – услуга со знаком качества
Мастер-класс / все
Библиотека из дерева с зоной кабинета. Что отличает эксклюзивный уровень?
Мастер-класс / все
Входные двери сейфового типа OIKOS VENEZIA – максимальная эффективность и защита
Мастер-класс / все
7 коллекций межкомнатных дверей от лучшего европейского производителя New Design Porte
Мастер-класс / все
Дизайн окон. Текстиль в среднем и высоком сегменте
Мастер-класс / все
Как правильно спроектировать систему мансардных окон?
Мастер-класс / все
4 основных критерия выбора котла отопления
Технология / все
Тепловые насосы Viessmann
Мастер-класс / все
"Образцовый дом 2020"