Теплові насоси та їх застосування

Робота в режимі нагріву

Холодоагент починає кипіти за рахунок тепла, що подається від альтернативних джерел енергії, наприклад, від ґрунтового теплообмінника. Потім він надходить в компресор, який працює на електроенергії. Тут пари холодоагента стискаються. В результаті підвищується їх температура. Енергія від ґрунтового теплообмінника і електрична енергія від компресора реалізуються на конденсатор теплового насоса: пари конденсуються з виділенням теплоти, яка подається в систему опалення та ГВП. Низькотемпературний рівень тепла від ґрунтового теплообмінника підвищується до необхідної температури опалення. Отриманий рідкий холодоагент подається назад у випарник вже під низьким тиском. Цикл повторюється.

Бівалентно-паралельний режим. Загальна потреба в теплі забезпечується тепловим насосом та водогрійним котлом. Основне джерело тепла – тепловий насос. Водогрійний котел є допоміжним джерелом. Температура теплоносія насоса не повинна перевищувати 55-65^оС. Цей режим найбільше підходить для підлогового опалення. Для більш високого рівня температури вже використовується водогрійний котел.

Бівалентно-альтернативний режим. У цьому випадку тепловий насос забезпечує опалювальні контури теплом до певної температури зовнішнього повітря. При подальшому зниженні температури тепловий насос відключається і працює тільки водогрійний котел. Цей режим найбільше підходить для радіаторного опалення. При цьому тепловий насос працює з опалювальним контуром, як правило, через буферну ємність. Буферна ємність виконує роль теплового акумулятора, гідравлічного роздільник і дозволяє працювати тепловому насосу в оптимальному режимі: температурний напір у контурі Dt = 5^oC, в контурі опалення –

Dt = 20^oC. У якості підтримки роботи теплового насоса можуть використовуватися і сонячні колектора, особливо в зимовий період, наприклад на широті Києва, як джерело низького потенціалу енергії. У нічний період роботи за пільговим тарифом може використовувати електричний котел, як додаткове джерело енергії.

Робота в режимі охолодження

Мало кому відомо, що тепловий насос може працювати і на охолодження. Великим плюсом деяких систем геотермального теплонасосу є можливість прямого використання влітку підземного холоду для охолодження/кондиціонування будівлі. Для цього розроблені дві технології: пасивна та активна.

Пасивна («вільна»). У системах з відкритим циклом підземна вода, що має температуру близько 10 градусів Цельсія, звичайним насосом влітку подається в будівлю і поширюється по активним конвекторам (фанкойлам), які кондиціонують будівлю, після чого повертається під землю. При цьому компресор теплонасосу не вмикається, електроенергія витрачається тільки на прокачування води. На витрачений один кіловат електроенергії можна отримати до 30 кіловат холоду, що в 10 разів ефективніше кондиціонера. Таке охолодження особливо ефективно при відкритому способі або способі з вертикальним теплообмінником.

Активна. Якщо потужності пасивного охолодження будівлі недостатньо, або якщо використовуються інші способи обміну теплом з навколишнім середовищем, для охолодження використовують компресор теплового насоса. Реверсивний тепловий насос дозволяє регулювати напрямок потоку холодоагента. Тепло з приміщення передається холодоагенту, а потім через теплообмінник виводиться в навколишнє середовище. Тобто активне охолодження здійснюється за рахунок кондиціонування повітря й теплонасос починає працювати як звичайний кондиціонер.

Характеристика альтернативних джерел енергії для теплового насоса.

Грунт.

Різні типи ґрунтів володіють різним рівнем насичення водою, що позначається на його теплоакумулюючих властивостях, тобто можливістю акумулювати сонячну енергію і зберігати її протягом тривалого часу. Грунт, як джерело енергії з постійною температурою для випарника теплового насоса забезпечує його стабільну роботу. У холодний період експлуатації теплового насоса тепло із ґрунтового теплообмінника знімається теплоносієм у вигляді розчину води та антифризу (спирту). Відбір тепла з грунту здійснюється за допомогою прокладеною в грунті системи пластикових труб на глибині 1,2-1,7 метра. Мінімальна відстань між сусідніми трубопроводами – приблизно 1 м.

Вода, що видобувається з свердловини, підземні води.

З поглибленням в землю її температура зростає, що дозволяє експлуатувати тепловий насос з найбільшою ефективністю. Відбір тепла здійснюється за допомогою прокладеною в свердловині системи пластикових труб. Вертикальні колектори – це система довгих труб, які опускаються в глибоку свердловину (30-150 м). Мінімальна відстань між сусідніми свердловинами – приблизно 5 метрів. На глибині завжди однакова температура – близько 10°С. Тому даний вид колектора є одним з найбільш ефективних.

Каналізаційні стоки – вода – також одні з найбільш ефективних джерел енергії для роботи випарника теплового насоса, що мають досить високу температуру від даного джерела t = 15÷20°С.

Вода з водойм, річок, ґрунтові води.

Вода є хорошим акумулятором сонячної енергії. Для ефективної роботи теплового насоса теплообмінник при зніманні енергії з водойми повинен забезпечуватися протокою води для виключення обмерзання теплообмінника.

Повітря.

На відміну від води, повітря має набагато меншу теплову акумулюючу здатність. Ефективно використання теплового насоса при скиданні енергетичного повітря при технологічних процесах на виробництві. Сучасні повітряні теплові насоси працюють при температурі навколишнього повітря не нижче t = -25°С.

Каналізаційні стоки – вода – одні з найбільш ефективних джерел енергії для роботи випарника теплового насоса, що мають досить високу температуру від даного джерела

t = 15 ÷ 20 ° С.

Тепловий насос, як альтернатива газовому опаленню. Енергоефективність та переваги теплового насоса.

Робота теплового насоса характеризується коефіцієнтом перетворення К_пт. Він показує відношення одержуваного тепла до витраченої енергії. Наприклад, К_пт = 3,5 означає, що, підвівши до теплового насосу 1 кВт, на виході ми отримаємо 3,5 кВт теплової потужності. Відповідно: К_пт = 9 означає, що, підвівши до машини 1 кВт, на виході ми отримаємо 9 кВт теплової потужності (коли одне приміщення потрібно опалювати, а інше охолоджувати).

Поширенність застосування. Джерело альтернативного тепла можна виявити в будь-якому куточку, далеко від газових магістралей і ліній електропередач – скрізь тепловий насос роздобуде для себе “паливо”, щоб безперебійно опалювати ваш дім, незалежно від капризів погоди, постачальників дизельного палива або падіння тиску газу в мережі. Навіть відсутність необхідної електричної потужності не перешкода. Для приводу компресора в деяких моделях використовують газопоршневі, дизельні або бензинові движки.

Екологічність. Тепловий насос не тільки економить фінансові та матеріальні, але й зберігає здоров’я жителям прилеглих територій. Агрегат не спалює паливо, а отже не утворюються шкідливі оксиди типу CO, СO₂, NO_х, SO₂, Pb₂. Тому навколо будинку на ґрунті немає слідів сірчаної, азотної, фосфорної кислот і бензольних з’єднань. Застосовувані ж у теплових насосах нові фреони не містять хлорвуглеродних з’єднань і не сприяють руйнуванню озонового шару.

Універсальність. Теплові насоси мають властивість оборотності (реверсивності). Вони вміють відбирати тепло з повітря будинку, охолоджуючи його. Влітку надлишкову енергію іноді відводять на підігрів басейну, або охолодження приміщень.

Безпека. Ці агрегати практично вибухо- і пожежобезпечні. Немає палива – немає відкритого вогню, небезпечних газів або сумішей. Вибухати тут просто нема чому, не можна також учадіти або отруїтися. Жодна деталь не нагрівається до температур, здатних викликати займання горючих матеріалів. Зупинки агрегату не призводять до його виходу з ладу або замерзання рідини. По суті, тепловий насос небезпечний не більше, ніж холодильник.

Особливості. При застосуванні теплових насосів необхідно пам’ятати, що для всіх типів теплових насосів характерний ряд особливостей. По-перше, тепловий насос найбільш ефективний в добре утепленому будинку, тобто з тепловтратами не більше 80 Вт/м². Чим тепліше будинок, тим вище економія. По-друге, чим більше різниця температур теплоносіїв у вхідному і вихідному контурах, тим менше коефіцієнт перетворення тепла (К_пт), тобто менше економія електроенергії. Тому більш вигідне підключення агрегату до низькотемпературних систем опалення. Мається на увазі опалення на базі «теплої підлоги». Температура теплоносія в цьому випадку не більше t = 50^оС. Або опалення теплим повітрям, тому що в цьому випадку температура теплоносія повинна бути близько t = 40°С. При потребі в більш високій температурі теплоносія застосовується другий контур, в якому температура теплоносія доводиться до 85°С. По-третє, для досягнення більшої вигоди практикується експлуатація теплових насосів в парі з додатковим генератором тепла (у таких випадках говорять про використання бівалентної схеми опалення).

Джерело: сайт Луганської обласної державної адміністрації.