3. Тепловые помпы

Тепловая помпа - это устройство, которое забирает тепло из источника с низкой температурой и передает его источнику с более высокой температурой (рис. ). Этот процесс происходит за счет электроэнергии, которой питается тепловая помпа. Чем ниже температура приемников тепла в системе центрального отопления (ЦО) и горячего водоснабжения (ГВС), тем больше эффективность теплового насоса. Эффективность работы теплового насоса характеризуется коэффициентом тепловой производительности ε - отношение отданной тепловой мощности Е к использованной мощности N:

Коэффициент тепловой производительности помпы зависит от: температуры низкотемпературного источника тепла (ее рост вызывает увеличение показателя ε);

температуры высокотемпературного источника тепла (ее снижение приводит к увеличению показателя ε).

Рис.4. Схема тепловой помпы

Коэффициент указывает, какую мощность нужно подать приводу тепловой помпы, чтобы получить тепловую мощность в высокотемпературном источнике тепла. Низкотемпературным источником может быть:

• атмосферный воздух;

• грунтовые поверхностные воды;

• грунт или обратная сетевая вода системы теплоснабжения.

Высокотемпературными источниками тепла для теплового насоса является системы ЦО и ГВС.

По принципу действия тепловой насос - это машина, которая забирает теплоту с более низкой температурой, и, используя приводную механическую или тепловую энергию, отдает эту теплоту с высшим, подходящей для потребления, температурой, следовательно, может применяться как для охлаждения (в холодильной машине), так и для отопления или нагрева воды. В холодильной машине теплота отбирается в замкнутом пространстве от его среды (воздуха, продуктов) и передается для рассеяния в открытое окружающую среду. В агрегатах для отопления - наоборот, тепло отбирается из открытого окружающей среды или другого доступного бесплатного источника низкотемпературной теплоты и передается с более высокой температурой к потребителям - закрытого отапливаемого помещения или для водонагрева (рис. 4) .

По строению тепловые насосы бывают компрессионные и абсорбционные. В наиболее распространенных компрессионных тепловых помпах «перекачка» тепла происходит в замкнутом циклическом процессе благодаря непрерывной смене агрегатного состояния рабочего тела (т.н. хладагента - это озононейтральные фтор углеводороды, или натуральные вещества, как пропан) (рис.5) . Упрощенно процесс имеет четыре фазы. В первой фазе подвода тепла от низкотемпературного источника предопределяет испарения жидкого хладагента в испарителе 1.

Рис.5. Принцип действия тепловой помпы

Первая компрессионная тепловая помпа заработала в 1834 году (американец Jacob Perkins) в холодильной машине. В 1852 году Lord Kelvin доказал, что холодильная машина может применяться и для отопления, причем требует меньше первичной энергии, чем нужно для непосредственного отопления. Однако первое промышленное применение для отопления тепловые насосы получили с 1932 года (Токио), в Европе - с 1938 года (отопление ратуши в Цюрихе). Для агрегатов отопления с газовыми тепловыми насосами отношение потребленной энергии отопления и водонагревания к энергии затраченных первичных энергоресурсов достигает 1,6. В абсорбционных тепловых помпах (рис. 6) пара хладагента после испарителя 1 не уплотняется, как в компрессионных тепловых помпах, а за низкого давления поглощается в абсорбере 2.1 промежуточным раствором - абсорбирует. Промежуточный раствор с поглощенным хладагентом с помощью циркуляционного насоса 2.2 подается через температурный обменник 2.3 до генератора 2.4, в котором за дополнительного нагрева хладагент испаряют из промежуточного раствора. Для систем отопления с тепловыми насосами возможны следующие режимы: - моновалентный - тепловая помпа отдельно и независимо от внешней температуры покрывает нагревательное нагрузки здания; - бивалентно-параллельный - нагревательное нагрузки при низкой внешней температуры покрывается тепловой помпой вместе с другим прибором для отопления (например, акумуляційним электрокотлом);

- бивалентно-альтернативный - за температуры, высшего от уставленої (например, +4 ºС), общее тепловая нагрузка покрывается только тепловой помпой, иначе - только котлом.

Рис.6. Абсорбционная тепловая помпа

Как источника бесплатной и дешевой низкотемпературной теплоты в европейских климатических условиях используются:

1. наружный воздух или воздух из неотапливаемых помещений (подвалов, складов и т.п.);

2. грунтовые воды и почву на глубине от 1 до 150 м;

3. поверхностные воды (незамерзающие ручьи, реки и озера); выбросы технологических процессов (стоки градирен, канализационные стоки);

4. обратные циркуляционные воды теплофикационных сетей и т.д.

В соответствии с этим применяются следующие типы тепловых насосов: воздух/вода (1), рассол/вода (2, 4), вода/вода (для 3, 4, 5). Следует отметить, что техника тепловых насосов позволяет обеспечивать не только отопления и водонагревания, а и кондиционирования воздуха в помещениях летом. Поэтому применение процессов тепловых насосов в настоящее время считается одним из самых эффективных способов использования регенеративной теплоты внешней среды. Ростом мировых цен на нефть, газ и на электроэнергию, а также осознанием необходимости защиты окружающей среды объясняется все большее распространение в последнее время технологии тепловых насосов почти во всех европейских странах. Так, в Швейцарии почти каждая вторая новостройка оборудуется системами отопления и водонагревания с применением тепловых насосов, более 30% хозяйств такие системы уже успешно эксплуатируются. В Швеции за последние несколько лет технология тепловых насосов введена в строительные стандарты.

В Германии уже работает более 105000 тепловых насосов. Только в прошлом году их продано круг 20000, хотя и составляет лишь 2% общего немецкого рынка тепловых установок и до 10% их в новостройках, но поражают стабильные ежегодные темпы прироста рынка тепловых насосов - более 10%. Кроме того, большой рыночный потенциал в Германии имеют тепловые помпы в связи с насущной необходимостью модернизации жилого фонда, тем более, что из экологических соображений такие технологии дотируются государством. Понятно, что технология тепловых насосов - это лишь составная часть модернизации энергоснабжения. Так, например, применение современных технологий сжигания газа и нефти в отопительных и нагревательных установок дает 25%-ную экономию энергоресурсов по сравнению с исходной ситуацией. Значительная дальнейшая экономия достигается использованием возобновляемых энергий.

Так, солнечная энергия может использоваться как напрямую с соляр-установок, так и опосредованно, с помощью тепловых насосов. Благодаря последовательному внедрению современной техники сжигания в комбинации с системами для использования возобновляемых энергий возможно достижение даже 40%-й экономии традиционных энергоресурсов для отопления и водонагревания индивидуальных и общественных сооружений. В зависимости от конкретных условий, капитальные затраты на сооружение установок с тепловыми насосами на сегодня колеблются в пределах от 10000 до 20000 евро. Это несколько выше по сравнению с системами, оборудованными только отопительными газовыми и масляными котлами, но низкие эксплуатационные затраты, даже из расчета на актуальные цены топливных энергоресурсов, гарантируют окупаемость не более чем за 10 лет.