Воздушное тепло

Антон Кораблёв
Воздушные тепловые насосы наряду с геотермальными установками успешно и довольно широко применяются в Европе для обеспечения отопления и ГВС.
Воздушное тепло

 В РФ существует мнение, что возможность их применения несколько ограничена из-за холодной зима на территории многих регионов страны. Однако преимущества от использования их поливалентных системах теплоснабжения уже не оспариваются.

Энергоэффективные преимущества

Преимущества тепловых насосов обусловлены  их принципом действия, который позволяет утилизировать тепло из природных и техногенных источников с температурой от 2 ˚С и выше. А воздушные тепловые насосы «воздух-воздух» и «воздух-вода» способны забирать тепло у низкопотенциального источника, которым является, соответственно воздух, при его отрицательных температурах. При этом перенос тепловой энергии к теплоносителю, характеризующемуся в нормальных условиях более высокой температурой, чем источник, осуществляется с затратой энергии, аналогично тому, как это происходит в холодильных установках.

Принципиально вся установка теплового насоса состоит:

- из системы хладагента, предназначенной для забора низкотемпературного тепла из окружающей среды и транспортировки его с циркулирующей жидкостью непосредственно в тепловой насос;

- из оборудования теплового насоса, с помощью которого происходит концентрирование, отобранной от источника тепловой энергии с передачей теплоносителю систем отопления и ГВС;

- из трубопроводов и приборов системы отопления и ГВС для доставки тепла к потребителю  – в системах «воздух-воздух» трубопроводы и приборы системы отопления отсутствуют, так как теплоносителем в данном случае выступает воздух внутренней среды обогреваемого помещения.

Как и холодильники существуют парокомпрессионные и абсорбционные типы тепловых насосов. Наибольшее распространение в мире получили парокомпрессионные тепловые насосы, на долю которых среди действующих в мире установок приходится 95%.

Тепло, отобранное хладагентом от низкопотенциального источника, поступает в испаритель теплового насоса и расходуется на испарение рабочего тела (например, фреона) установки. Таким образом, энергия от низкопотенциального источника вводится в термодинамический цикл. Затем пары фреона сжимаются в компрессоре и за счет этого нагреваются до 80-95 °С – полученное из низкопотенциального источника тепло переводится на высокий температурный уровень. Далее фреон поступает в конденсатор и при конденсации отдает тепловую энергию в систему отопления. Затем уже жидкий, но еще теплый (55-65 °С) фреон проходит через теплообменник, где отдает тепло воде ГВС. В завершении цикла фреон подается обратно в испаритель под таким давлением, что может закипать при  низкой температуре исходного теплоносителя. И цикл повторяется (рис 1).

Рис. 1 Схема устройства и работы воздушного тепловой насоса «воздух-воздух»

В идеальном случае процесс забора тепловой энергии от низкопотенциального источника и передача его теплоносителю системы отопления (воздуху внутренней среды помещений в системе «воздух-воздух») описывается обратным циклом Карно. Оценкой же энергоэффективности теплового насоса служит безразмерный коэффициент преобразования – СОР (англ. – Coefficient of performance ).

COP = Tout/(Tout – Tin),

где:

Tout – температура выхода (нагревателя)

Tin – температура входа (охладителя)

Рассчитанный по такой формуле COP –  это идеальный показатель. Для оценки работы теплонасосной установки в реальных условиях его надо скорректировать  с учётом неизбежных энергопотерь:

- потери, связанные с неидеальностью тепловых процессов, протекающих в испарителе и конденсаторе, из-за неидеальности теплофизических характеристик хладагентов, применяемых там;

– на необратимые потери при сжатии хладагента;

– на механические потери (трение и т.п.) в компрессорах;

–  на потери механические и электрические в двигателях компрессора и циркуляционного насоса;

– на гидравлическое сопротивление хладагента в трубопроводах и др.

Так что в действительности значение коэффициента преобразования заметно меньше расчетного по вышеуказанной формуле, однако по сравнению с другими теплогенераторами его эффективность все равно высока. Так, например тепловентилятор или электроконвектор – отопительные приборы прямого обогрева без промежуточного теплоносителя, а значит работающие без теплопотероь, выдадут в обогреваемое ими помещение тепла столько же, сколько и потребили электроэнергии. Тепловой насос же выдаст тепла в три-четыре раза больше, чем было затрачено электроэнергии на его работу. Закон сохранения энергии при этом не нарушается, потому что тепловой насос забирает у низкопотенциального источника всё то же солнечное тепло, которое этот природный источник (воздух в случае воздушного насоса) накопил за счёт работы солнца. А эта работа в формуле расчёта COP не учитывается.

Для более корректной оценки коэффициента преобразования теплового насоса вводятся дополнительные  коэффициенты и используется следующая расчётная формула:

Где:

A  — работа, совершенная насосом [Дж];

Qin — теплота, забираемая тепловым насосом из источника низкопотенциального тепла [Дж];

Qconsumer — теплота, полученная потребителем [Дж];

k- коэффициент полезного действия.

«Родные братья» кондиционеры в борьбе за эффективность

По принципиальной конструкции  воздушные наосы не отличаются от кондиционеров воздуха, которые изначально разрабатывались для охлаждения воздуха. Однако современные, так называемые, реверсивные модели кондиционеров способны работать в режиме теплового насоса. Более того, сегодня подавляющее большинство реализуемых на рынке бытовых кондиционеров имеют функцию работы на обогрев помещений.  Для подогрева воздуха такие модели оснащаются реверсивным компрессором, позволяющим запускать кондиционеры по обратному циклу. В режиме охлаждения реверсивный кондиционер «выкачивает» тепло из помещения и перемещает его на улицу. При работе на обогрев происходит обратный процесс: тепловая энергия отбирается у наружного воздуха и переправляется в помещение. В этом случае испаритель становится конденсатором, а конденсатор – испарителем. Разумеется, и любой тепловой насос может работать летом на охлаждение, главное его отличие от реверсивного кондиционера в том, что этот тип оборудования специально разрабатывался и создавался в первую очередь для отопления дома, обладает для этого соответственной мощностью, качеством применённых материалов и  спецификой технологий (рис. 2, 3).

 Рис. 2 Воздушный тепловой насос «воздух-вода» в системе теплоснабжения дома – схема

Рис. 3 Схема работы воздушного теплового насоса «воздух-воздух» в режиме обогрева зимой и в режиме охлаждения летом.

Преимущества воздушных тепловых насосов – более низкая себестоимость, простота монтажа и эксплуатации, по сравнению с геотермальными тепловыми насосами, отсутствие необходимости земляных работ и геологических изысканий – как и недостатки этих систем во многом определяются тем источником низкопотенциальной энергии, с которого они «перекачивают» тепло. С одной стороны нет ничего доступнее воздуха, с другой – низкие его температуры в холодный сезон сказываются на эффективности работы воздушных тепловых насосов. Величина  COP (см. п. 2.1.1.) зависит от температуры окружающего воздуха (Tout). Чем ниже значение Tout , тем больше потребуется потратить электроэнергии на перенос тепла. При COP, приближающимся к единице, обогрев тепловым насосом становится малорациональным.

Для большинства обычных бытовых реверсивных кондиционеров значение коэффициента преобразования находится в интервале 3,3 – 3,22 для уличной температуры + 7 °С и температуры в помещении + 25 °С. Наиболее эффективно обогреваться кондиционером в межсезонье (осень, весна), при температуре наружного воздуха  от –5 до +8 °С. Верхнее значение этого интервала температуры связано с прекращением работы отопительных систем, нижнее – с энергетической целесообразностью функционирования агрегата в рассматриваемом режиме. При понижении уличной температуры до –7 °С коэффициент преобразования снижается на 40 % и может составлять 1,9.

Однако коэффициент преобразования кондиционера, работающего в режиме обогрева, может быть повышен, если меньше энергии будет тратиться на работу мотора компрессора. Поэтому инверторные модели кондиционеров предоставляют большие возможности для работы на обогрев  помещения. Именно кондиционеры инверторного типа позволили создать агрегаты, позиционирующиеся на рынке как тепловые насосы «воздух-воздух» и «воздух-вода». Конструктивной особенностью таких приборов является электронный инверторный блок, позволяющий плавно менять скорость вращения мотора компрессора при изменении выходной мощности. Коэффициент энергоэффективности такого кондиционера может достигать значения 3-4 при обогреве (СОР) и 5-7 при охлаждении.

Таким образом, классический воздушный кондиционер – это тот же реверсивный инверторный кондиционер, работающий по обратному циклу, только более мощный и адаптированный к работе на обогрев при низких температурах воздуха до –25 - –28 °С на улице. Так тепловые насосы Mitsubishi Electric Zubadan могут эксплуатироваться согласно заявлениям производителя и при –25 °С, теряя при этом лишь 20 % теплопроизводительности. При –15 °С коэффициент преобразования.этих моделей составляет 4,0.

Все вышесказанное делает возможным использования воздушных тепловых насосов для отопления и ГВС даже в тех регионах России, которые характеризуются относительно долгим и суровым холодным сезоном. Согласно исследованиям, нижняя граница для применения воздушных теплонасосов (COP ≥ 1) находится в районе ниже – 30 °C. Такой температурный порог позволяет говорить о потенциальной возможности применения этих установок и в северных регионах. Использование же их в составе гибридных систем теплоснабжения, где пиковые нагрузки покрываются за счет работы теплогенератора на традиционном виде топлива, выглядит ещё более оправданным. Проведенные в Норвегии исследования показали, что в умеренно холодном регионе использование воздушных тепловых насосов в гибридной системе отопления позволяет сэкономить почти на 20 % больше энергии, чем в теплом, где период использования теплового насоса для отопления короче.

Варианты исполнений

Как и кондиционеры, воздушные тепловые насосы могут иметь два конструктивных решения: «сплит» и «моно». В сплит-системах два блока (наружный и внутренний) соединяются трубопроводами. В первом – размещаются вентилятор и испаритель, во втором, внутреннем, – конденсатор, гидравлические элементы, автоматика управления. Компрессор может располагаться как в наружном, так и во внутреннем блоке.

В моноблоках все элементы объединены в одном корпусе. При размещении внутри помещения они сообщаются с наружной средой воздуховодом, а их мощность обычно не превышает 16 кВт. Есть моноблоки, допускающие как наружный, так и внутренний монтаж. Ведущие производители воздушных тепловых насосов выпускают моноблоки для наружной установки, рассчитанные на работу при температуре воздуха до –25 °С (рис. 4).

Рис. 4 Блок воздушного теплового насоса на фасаде частного дома

В одних конструкциях воздушных ТН энергия передается воздуху в помещении, в других, работающих по схеме «воздух–вода», – жидкому теплоносителю. Такие установки успешно применяются при модернизации уже существующих, в том числе и высокотемпературных, систем водяного отопления. Для наращивания  мощности производители предусматривают каскадное объединение установок.

Решение в комбинации

Тепловые насосы вообще, а воздушные тепловые насосы, в частности, востребованы в составе гибридных поливалентных  систем теплоснабжения, которые представляют собой комплексные решения по обеспечению необходимых потребностей в тепле для систем отопления, горячего водоснабжения, вентиляции и охлаждения, подразумевающие использование нескольких энергоносителей в одном или нескольких теплогенераторах.

 Воздушные тепловые насосы в строгом смысле слова уже изначально представляют собой гибридные системы отопления, так как часто комплектуются дополнительными электрическими нагревателями. Их двухкомпрессорные модели обеспечивают одновременную работу контуров отопления и ГВС.

Главным же преимуществом использования нескольких энергоносителей в гибридной системе является возможность существенного снижения затрат на отопление ввиду изначально различной стоимости энергоносителей. Использование воздушных тепловых насосов в составе гибридных систем  ещё более повышает эффект экономии за счёт их высокой эффективности. Основные нагрузки таких систем большую часть отопительного сезона закрываются работой теплового насоса, что малозатратно для потребителя, а в пиковых режимах, когда тепла, получаемого из воздуха с незначительным расходом электроэнергии, не хватает на отопление или приготовление ГВС, автоматически подключается пиковый теплогенератор – обычно котёл. Ещё больше повышает экономию при создании гибридных систем включение в их состав аккумуляторов тепла.

Дополнительным преимуществом   гибридных систем является повышение отказоустойчивости системы теплоснабжения, на это работает взаимозаменяемость в таких системах источников тепла, при  выходе из строя одного из теплогенераторов, при том, что аккумуляторы тепла не только позволяют рационально его расходовать в соответствие с потребностями пользователя, но и обеспечивают некоторый резерв, на случай критической ситуации.

Режимы работы оборудования, применяющегося в гибридных системах (и, в частности, тепловых насосов) идеальны для создания  низкотемпературных систем отопления.

Помимо высокой энергоэффективности, востребованность воздушных тепловых насосов в составе гибридных систем определяется их высокой экологичностью и надежностью в эксплуатации.


 

  Получить pdf версию журнала и подписаться на рассылки заполнив форму обратной связи
  Заполнив форму, я соглашаюсь на политику HeatClub в отношении рассылок
Имя
Телефон
E-mail
Комментарий
Введите символы, изображенные на картинке