Теплові насоси

       Тільки  до двох годинників ночі баки-акумулятори  заповнилися гарячою водою в  цей день пізньої осені, і це дало можливість відключитися тепловому насосу, але вже в 6 годин ранку він знову включився, працюючи практично неспинно до трьох годин ночі наступного дня. На відміну від літнього дня, коли температура этиленгликоля не знижувалася нижче +7 °С, тепер його найнижча температура досягала -1 °С. Саме при такій температурі встановлювалося наприкінці листопада теплова рівновага в теплообмінній системі «грунт-етиленгликоль». Найвища температура этиленгликоля не перевищила 15,5 °С, і це на 3,5 градуси нижче, ніж у серпні. Температура в каналізаційній трубі опускалася до 14 °С, тому що водопровідна вода, що попадає в каналізацію, в основному, через нещільності змивних бачків, маючи споконвічну температуру близько 8 °С, підігрівалася в неізольованих трубопроводах водопостачання, у змивних бачках, а також у каналізаційних стояках, що проходять через опалювальні приміщення. Протягом доби температура стоків, що надходять у контур, що гріє, сточно-гликолевого теплообмінника, змінювалася в діапазоні від 14 до °30 С, а температура стоків, що залишають будинок, була на 0,…3градуса нижче.

       Рис.5 Коливання температур восени 

       Верхній температурний рівень ґрунтового масиву понизився в порівнянні з літнім періодом від 17 до 14 °С. Так само, як і влітку, температура ґрунту встигає відновитися до верхнього рівня під час нічної перерви в роботі теплового насоса, щоправда, для цього треба було не два з половиною, а четверта година, тому що період активного охолодження більше тривалий, чим улітку.

       Тривалість  виходу на рівноважні температури склала близько 4 годин (від 6 до 12 у режимі активного охолодження й від 2 годин ночі до 6 ранку в режимі «відпочинку»).  

       Рис.6 Коливання температур взимку 

       Протягом  доби 17 листопада тепловий насос  працював 20 годин. Температури води на виході з конденсатора теплового насоса в цей період підтримувалися на рівні 44...47…47 °С.

       Щоб підняти температуру гарячої  води на нормативний (50...55…55 °С) рівень, довелося викликати на допомогу тепломережа, задіявши теплообмінник 3 (рис.3). Починаючи з 18 листопада, протягом всієї зими тепловий насос автоматично включався тільки в годинники пікового водоразбора. На рис.6 показано, як змінювалися температури рідин, що брали участь у процесі перетворення теплової енергії в тепловому насосі протягом доби 31 січня.

       Температура стоків у каналізаційній трубі вночі знижувалася до 7 °С, тому що водопровідна вода, що потрапила в каналізацію, зі споконвічною °температурою близько 2 С підігрівалася в трубопроводах, прокладених усередині будинку. Протягом доби температура стоків, що надходять у контур, що гріє, сточно-гликолевого теплообмінника, змінювалася в діапазоні від 7 до °32 С, а температура стоків, що залишають будинок, була на 0,…4градуса нижче.

       Температура охолодженого етиленгликолю в день 31 січня коливалася від 4 до 20 °С. Ці значення розглядаються як рівноважні в режимах працюючого й зупиненого теплового насоса. Тривалість виходу на нижчу дорівнює весную температуру становить приблизно 2,5 години, а на вищу — біля п'яти з половиною годин. Період активного використання низкопотенциальных джерел енергії в цю пору року не перевищував 7 годин на добу. Вода в конденсаторі теплового насоса підігрівалася при цьому до 50...58…58 °С. :  
 

3.2.Дослідження  роботи теплового  насосу з повітряним  джерелом теплоти 
 

       Теплові насоси з повітряним джерелом подібні по своєму функціональному принципі з геотермальними тепловими насосами, з тією лише різницею, що замість ґрунту, теплота витягається із зовнішнього повітря. Теплові насоси з повітряним джерелом підрозділяються на системи типу повітря/повітря й повітря/вода, залежно від того, яка середовище використається для поширення тепла в будинку - повітря або вода.

       Основною  перевагою теплових насосів з  повітряним джерелом перед геотермальними системами є значно більше низька вартість установки. Для геотермального теплового насоса необхідна прокладка підземних теплообмінних елементів, використовуваних для добування теплоти із ґрунту. Для порівняння, повітряні теплові насоси користуються безпосередньо теплотою зовнішнього повітря й виключають, таким чином, потенційні проблеми.

       Теплові насоси повітря/повітря призначені для прямого нагрівання повітря  усередині приміщення. Теплота витягається  з навколишнього повітря за допомогою  випарного блоку зовнішнього  розміщення й направляється в  приміщення, де внутрішнє повітря нагрівається за допомогою конденсатора системи.

       Якщо  буде потреба опалення декількох  приміщень або порівняно великого внутрішнього обсягу, використаються різні системи подачі й розподілу  повітря, а для нагрівання окремих  областей, можливе застосування декількох внутрішніх блоків.

       Тепловий  насос типу повітря/повітря може працювати як виділений пристрій, забезпечуючи тільки опалення, у той  час як системи сплит, мульти-сплит  і зі змінною витратою холодоагенту (VRF), призначені для комфортного охолодження, також можуть розглядатися як теплові насоси, якщо вони здатні реверсировать холодильний цикл і переходити в режим нагрівання.

       Сплит-системы  складаються з одного або декількох  внутрішніх блоків і зовнішнього  блоку, що витягає тепло із зовнішнього повітря при роботі пристрою в режимі нагрівання. Внутрішні й зовнішні блоки з'єднані за допомогою трубного розведення для циркуляції холодоагенту між ними. Системи VRF, по суті, є більше складними сплит-системами - різниця полягає в здатності кожного блоку забезпечувати охолодження й обігрів на індивідуальному принципі.

       Сплит-системи не здатні одночасно прохолоджувати й нагрівати, за винятком установки двох систем для кожної зони. Системи VRF забезпечують рекуперацію тепла - при цьому, тепло, що відводить внутрішніми блоками в режимі охолодження, направляється блокам, що працюють на нагрівання.

       Перевага  теплового насоса типу повітря/повітря  над системами типу повітря/вода полягає в більше низькій температурі  стоку (температурі повітря, прохідного через теплообмінник конденсатора), що забезпечує підвищене значення коефіцієнта продуктивності COP і більше високий рівень тепловіддачі. Значення коефіцієнта продуктивності COP збільшуються при зменшенні різниці між температурою джерела й стоку.

       Тепловий  насос типу повітря/вода використає воду як теплопоглотительную середовище. Нагріта вода призначена для опалення приміщень або підготовки побутової гарячої води.

       Рис.7 Графік теплової потреби  

       При відомому тепловому навантаженні будинку, побудований графік (рис.7) відображає кількість годин (протягом року) перебування зовнішньої температури нижче певного рівня, а також відповідної теплової потреби. Область під кривою вказує на необхідну енергію, а червона область - на продуктивність (у квт) додаткового нагрівача. Директива BS EN 15450 спричиняється генерацію - за допомогою додаткових джерел теплоти - не більше 5% від загальної кількості енергії, вироблюваної повітряним тепловим насосом.

       Потенційний недолік використання повітря як джерело тепла - коефіцієнт продуктивності COP теплового насоса. Протягом опалювального сезону, температура зовнішнього повітря найчастіше нижче температури ґрунту, на глибині добування теплоти геотермальним тепловим насосом, що і є причиною зниження коефіцієнта COP.

       Деякі виробники повітряних теплових насосів публікують значення коефіцієнта COP рівні 4 і більше, однак, до даної інформації варто ставитися обережно. Відповідним тестовим стандартом для більшості блокових теплових насосів є BSEN 14511. Для теплового насоса типу повітря/вода, стандарт пропонує - як тестова умова - температуру зовнішнього повітря (температуру джерела), рівну 7^о. При температурах зовнішнього повітря нижче зазначеної, значення COP буде знижуватися, як втім, і теплопродуктивність теплового насоса. Залежно від додатка, дане зниження може стати істотним, як наприклад холодним зимовим ранком, коли потрібен попереднє нагрівання приміщення.

       Іншим фактором, що впливає на значення коефіцієнта COP теплового насоса, є температура  стоку - температура повітря, що підігріває, або циркулюючої води усередині будинку. Для теплового насоса типу повітря/вода, стандарт BSEN 14511 указує температуру повернення й подачі води 40^o та45^o відповідно.

       При більше високих температурах - у  відмінності від зазначених вище - значення COP, а також теплопродуктивність системи, будуть падати. Це означає, що теплові насоси, будучи потенційно придатними як низькотемпературні системи обігріву, таких як підпільне опалення, мають низькі значення COP при їхньому використанні із традиційними рідинними системами опалення з температурами циркуляції 60o і вище. Підвищені значення температури води на виході приводять до зниженого коефіцієнта COP теплового насоса, у той час як більше низька температура подачі води вимагає більшої поверхні радіатора.

       Тестові умови й, отже, значення COP, заявлені виробниками, можуть істотно відрізнятися від фактичних розрахункових і робітників умов.

       Повітряні теплові насоси мають достатня кількість  екологічних й експлуатаційних  переваг. Для початку, будинок одержує  більше теплоти, чим споживане тепловим насосом кількість електроенергії.

       Повітряний  тепловий насос зі значенням коефіцієнта  продуктивності COP 3 забезпечує 3 квт  теплової енергії на 1 квт споживання електроенергії. Якщо тепловий насос  заміняє електричне опалення приміщень або використається як альтернатива такому, застосування теплового насоса забезпечує значні заощадження вуглецевих одиниць.

       Якщо  тепловий насос використається замість  сучасного газоконденсатного бойлера, заощадження вуглецевих одиниць  може бути не таким яскраво вираженим. Електроенергія від Національної Мережі не є ефективною з вуглецевої точки зору, з огляду на низьку термоэффективность електростанції, а також втрати при розподілі енергії по мережі.

       Інші  переваги теплових насосів з повітряним джерелом теплоти перед традиційними бойлерними системами включають відсутність вихлопних або вибухонебезпечних газів усередині будинку, а також необхідності установки витяжних труб і вентиляційних установок, нульовий рівень забруднення місцевості, хоча шум вентилятора зовнішнього блоку може стати причиною проблеми, а також тривалий термін служби й низька вартість обслуговування. 
 

4.Роль і місце теплових насосів у системах централізованого теплопостачання  
 

       Накопичений досвід впровадження теплонасосних установок (ТНУ) показує на існування практично всюди тих самих труднощів, що стримують їхнє впровадження в системі централізованого теплопостачання (СЦТ). Основними з них є відсутність нормативно-правових документів, що регламентують взаємодію структур міського енергогосподарства, фінансових структур (комерційних банків, інвестиційних фондів і т.п.) і енерговиробників у питаннях взаєморозрахунків за зроблену теплоту за допомогою ТНУ й фінансування даної технології. Розходження й наявність міжвідомчих інтересів стримує не тільки розробку подібних документів, але й експлуатацію вже змонтованих ТНУ.

       Однак теплонаносна технологія неминуче згодом буде затребувана по цілому ряді причин:

       1) Економічність. Тепловий насос використовує введену в нього енергію на голову ефективніше будь-яких котлів, що спалюють паливо. Величина КПД у нього багато більше одиниці. Між собою теплові насоси порівнюють по особливій величині - коефіцієнту перетворення тепла - Кпт (його ще називають коефіцієнт трансформації тепла, потужності, перетворення температур). Він показує відношення одержуваного тепла до витраченої енергії. Приміром, Кпт = 3,5 означає, що, підвівши до машини 1 квт, на виході ми одержимо 3,5 квт теплової потужності, тобто 2,5 квт природа пропонує нам безоплатно.

       2) Повсюдність застосування. Джерело розсіяного тепла можна виявити в будь-якому куточку планети. Земля та повітря найдуться на самій занедбаній ділянці, удалині від газових магістралей і ліній електропередач - скрізь цей агрегат роздобуде для себе "їжу", щоб безперебійно опалювати ваш будинок, не залежачи від капризів погоди, постачальників дизельного палива або падіння тиску газу в мережі. Навіть відсутність потрібних 2-3 квт електричної потужності не перешкода. Для привода компресора в деяких моделях використають дизельні або бензинові движки.