Теплові насоси

       За прогнозами Всесвітньої енергетичної агенції до 2020 року 75% теплопостачання (в тому числі в комунальному теплопостачанні) в розвинених країнах здійснюватиметься за допомогою теплових насосів. 
 
 

2. Джерела теплової енергії 
 

       Тепловий  насос призначений для використання енергії, що одержується від джерела тепла низької температури. Теплові, енергетичні й економічні характеристики теплових насосів тісно взаємозалежні з характеристиками джерел, з яких насоси беруть тепло. Ідеальне джерело тепла повино давати стабільну високу температуру протягом опалювального сезону, не бути корозійним і забруднюючим, мати сприятливі теплофизізичні характеристики, не вимагати істотних інвестицій і витрат по обслуговуванню. У більшості випадків наявне джерело тепла є ключовим чинником, що визначає експлуатаційні характеристики теплового насоса.

       Як  джерела тепла в невеликих  системах на базі теплових насосів  широко використаються зовнішнє та відводиме повітря, ґрунт і підґрунтова вода; також для систем великої потужності застосовуються морська, озерна й річкова вода, геотермичічні джерела й ґрунтові води.

       Зовнішнє повітря, що є зовсім безкоштовним і загальнодоступним, є найбільш прийнятним джерелом тепла. Проте теплові насоси, що застосовують саме повітря, мають фактор сезонного навантаження (SPF) у середньому нижче на 10-30% у порівнянні з водяними тепловими насосами. Це пояснюється наступними причинами:

       • швидким зниженням потужності й продуктивності з падінням зовнішньої температури;

       • щодо великою різницею температур конденсації  й випари в період мінімальних  зимових температур, що в цілому знижує ефективність процесу;

       • енерговитратами на розморожування випарної батареї й функціонування відповідних вентиляторів.

       В умовах теплого та вологого клімату на поверхні випарника в діапазоні від 0 до 6 °С утвориться іній, що веде до зменшення потужності й продуктивності теплового насоса. Іній зменшує площу вільної поверхні та перешкоджає проходженню повітря. Як наслідок, знижується температура випару, що, у свою чергу, сприяє наростанню інею й подальшому неухильному зниженню продуктивності аж до можливої повної зупинки агрегату внаслідок спрацьовування контрольного датчика низького тиску, якщо своєчасно не буде усунуте зледеніння.

       Розморожування батареї здійснюється шляхом інверсії охолоджувального циклу або іншими, хоча й менш ефективними способами.

       Енергоспоживання  має тенденцію до росту. Загальний  коефіцієнт продуктивності насосу скорочується зі збільшенням частоти розморожування. Застосування спеціальної системи контролю, що забезпечує розморожування на вимогу (тобто коли воно фактично необхідно), а не періодичне, може істотно підвищити загальну ефективність.

       Ще  одне джерело тепла в житлових і торгово-адміністративних спорудженнях - вентиляційне повітря, що відводить. Тепловий насос регенерує тепло з повітря, що відводить, і забезпечує підігрів гарячої води або теплого повітря для опалення приміщень. У цьому випадку, однак, потрібне постійне вентилювання протягом усього опалювального сезону або навіть цілого року, якщо передбачено кондиціонування приміщень у літній період. Існують апарати, у яких конструктивно споконвічно закладена можливість використання та відводи і вентиляційного, і зовнішнього повітря. У деяких випадках теплові насоси, що застосовують повітря, що відводить, використаються в комбінації з рекуператорами "повітря-повітря".

       Повітря як універсальний теплоносій використається в більших установках круглорічного кондиціонування. Він має низькі значення коефіцієнтів тепловіддачі, тому для зменшення поверхні випарника доводиться знижувати температуру кипіння робочого тіла, внаслідок цього зменшується ступінь досконалості теплонаносной установки. Дані випробування таких установок, що використають повітря як джерело тепла, свідчать про те, що середній коефіцієнт m за опалювальний сезон не перевищує 2 - 2,5. У періоди пік, тобто при епізодично низьких температурах зовнішнього повітря, включають запасні електронагрівники. Найкращим методом боротьби з інеєм є його автоматичне відтавання, проведене періодично.

       Найбільш  доцільне застосування відходів теплої води промислових підприємств, у  тому числі циркуляційної води теплових електростанцій та ін. Крім того, використають також природні гарячі джерела в курортних місцевостях.

       Внаслідок більших витрат використання в процесі питної води неекономічне. Однак водні джерела з порівняно глибоких шарів ґрунту, що мають температуру близьку до середньорічної, забезпечують більш високий коефіцієнт перетворення m у порівнянні з повітрям.

       Підґрунтові води є в багатьох місцях, вони мають досить стабільну температуру в діапазоні від 4 до 10 °С. Для використання води як джерела тепла застосовуються, головним чином, відкриті системи: підґрунтова вода відкачивуєтся й подається на теплообмінник системного агрегату, де у води відбирається частина тепла. Вода, охолоджена таким чином, подаєтся далі в зливальний колодязь або йде в поверхневі води. Відкриті системи вимагають самого ретельного проектування з метою запобігання проблем із замерзанням, корозією та нагромадженням відкладень.

       Більшим недоліком теплових насосів, що працюють на підґрунтових водах, є висока вартість робіт з монтажу водозабору. Крім того, варто враховувати вимоги, часом досить суворих, місцевих адміністрацій у питаннях організації стічних вод.

       Річкова й озерна вода з теоретичної точки  зору представляється досить привабливим  джерелом тепла, але має один істотний недолік - надзвичайно низьку температуру  в зимовий період (вона може наближатися  до 0 °С). Якщо використовуються вода рік, озер і морів, то в зимовий період вона може замерзати на стінках випарника. Із цієї причини потрібне особлива увага при проектуванні системи з метою запобігання заморожування випарника.

       Морська вода в деяких випадках є відмінним джерелом тепла й використовується в основному в середніх і великих системах. На глибині від 25 до 50 м морська вода має постійну температуру в діапазоні від 5 до 8 °С. І, як правило, проблем з утворенням льоду не виникає, оскільки точка замерзання тут від -2 до -10 °С. Є можливість використати як системи прямого розширення, так і системи з розсолом. Важливо лише використати теплообмінники та насосні агрегати, стійкі до впливу корозії, і запобігати нагромадженням відкладень органічного характеру у водозабірному трубопроводі, теплообмінниках, випарниках та ін.

       Ґрунтовим водам властива відносно висока й  стабільна протягом року температура. Основні обмеження тут може становити відстань транспортування і фактичні ресурси, обсяг яких може мінятися. Прикладами можливих джерел тепла в даній категорії носіїв можна вважати ґрунтові води на каналізаційних ділянках (очисні та інші водостоки), промислові водостоки, водостоки ділянок охолодження промислових конденсаторів або виробництва електроенергії.

       Найближчі водоймища - ідеальне джерело тепла для теплового насосу. При використанні як джерела тепла води озера або ріки контур укладається на дно. Цей варіант є ідеальним з будь-якого погляду - «висока» температура навколишнього середовища (температура води у водоймищі взимку завжди плюсова), короткий зовнішній контур, високий коефіцієнт перетворення енергії тепловим насосом.

       На 1 метр трубопроводу доводиться орієнтовно 30 Вт теплової потужності.Таким чином, для установки теплового насоса продуктивністю 10 квт необхідно  укласти в озеро контур довгої 300 метрів.

       Для того, щоб трубопровід не вспливав, необхідно встановити близько 5 кг вантажу на 1 погоний метр трубопроводу.

       Ґрунт застосовують як природне джерело тепла  для зимового опалення й літнього кондиціонування. Змійовики випарника  закладають у ґрунт, причому вигідно використають його зонну здатність, що акумулює. За практичним даними, коефіцієнт m становить від 2,2 до 3,2 залежно від зовнішніх умов. Величини теплопередачі в ґрунті головним чином залежать від його вологості.

       Теплові насоси, що використають ґрунт як джерело тепла, застосовуються для обслуговування житлових і торгово-адміністративних споруджень. Ґрунт, як і підґрунтові води, має велику перевагу - відносно стабільну протягом року температуру. Тепло відбирається по трубах, покладеним у землю горизонтально або вертикально (спиралеобразно). Можуть використатися:

• системи прямого розширення з охолодною рідиною, що випаровується в міру циркуляції в контурі трубопроводу, заглубленного в ґрунт;
• системи з ропною рідиною, прокачиваемой по трубопроводу, заглубленному в ґрунт.

       У цілому теплові насоси ропного типу мають більше низьку продуктивність у порівнянні з агрегатами першого  типу в силу происходящего в них "подвійного" теплообміну (ґрунт - розсол, розсол - холодоагент) і енерговитрат на забезпечення роботи циркуляції розсолу, хоча обслуговувати такі системи істотно простіше.

       Теплова ємність ґрунту варіюється залежно  від його вологості й загальних  кліматичних умов конкретної місцевості. У силу виробленого відбору тепла  під час опалювального сезону його температура знижується.

       В умовах холодного клімату більша частина енергії витягається  у формі латентного тепла, коли ґрунт  промерзає. У літній період під дією сонця температура ґрунту знову  піднімається, і з'являється можливість повернутися до первісних умов. Діючі по такому принципі теплові насоси звичайно називають геотермичними, що по суті своєї невірно, оскільки тут не задіяне радіогенне тепло землі, що втримується в глибинних скельних породах.

       Геотермичними (скельними) джерелами можна користуватися в регіонах, де підґрунтових вод чи мало зовсім. Тоді потрібно пробурити колодязі глибиною від 100 до 200 м. У випадку якщо потрібно забезпечити високу теплову потужність, колодязі буряться під певним нахилом таким чином, щоб добратися й упертися у великий скельний масив. Для таких теплових насосів також застосовується ропна рідина й пластмасовий зварений трубопровід, що витягає тепло зі скелі. У деяких системах скельна порода використається для акумулювання тепла або охолодної енергії. У силу високої вартості бурових робіт скельні породи для обслуговування житлового сектора застосовуються досить рідко.

       При використанні як джерело тепла скелястої породи трубопровід опускається в шпару. Можна пробурити деяку кількість не глибоких шпар - це, можливо, обійдеться дешевше, ніж одна глибока. Головне - одержати загальну розрахункову глибину.

       Для попередніх розрахунків використається наступне співвідношення - 50-60 Вт теплової енергії на 1 метр шпари. Тобто, для  установки теплового насоса продуктивністю 10 квт необхідна шпара глибиною 170 метрів.

       Також в якості джерела  тепла використовують земляний контур. При укладанні контуру в землю бажано використати ділянку з вологим ґрунтом, найкраще із близькими ґрунтовими водами. Використання сухого ґрунту теж можливо, але це приводить до збільшення довжини контуру. Трубопровід повинен бути заритий на глибину приблизно 1 м, відстань між сусідніми трубопроводами  - приблизно 0.8-1.0 м.

       Питома теплова міцність трубопроводу, покладеного в землю трубопроводу - 20-30 Вт/м. Тобто для установки теплового насоса продуктивністю 10 квт досить 350-450 м теплового контуру, для чого вистачить ділянки 20х20 кв.м.

       Спеціальної підготовки ґрунту не потрібно, впливу на рослини трубопровід при правильному  розрахунку не робить. 
 

3.Дослідження роботи теплового насосу 

3.1.Дослідження  роботи теплового  насосу, що використовує  теплоту грунту  та каналізаційні  стоки 

       Темі  використання теплових насосів для  теплопостачання будинків присвячується  все більша кількість статей у  технічних виданнях, але вони присвячені, головним чином, пропаганді цього напрямку. Наукові дослідження в цій області в нас не проводяться, а закордонні фірми, що прикладають чимало зусиль для того, щоб переконати вітчизняних клієнтів у привабливості теплових насосів, не утруждают себе поширенням наукової інформації про фізичні характеристики тих або інших деталей теплонасосных систем теплопостачання. Повна відсутність вітчизняного досвіду в сфері застосування теплових насосів не залишало нам ніяких надій на те, що такого роду інформація стане доступної широкому колу фахівців, що проявляють інтерес до цієї теми.

       Коли  в 2006 році була виготовлена по розробленій  у Центрі енергозбереження Київ знііеп конструктивній схемі досвідчена установка з тепловим насосом, що використає теплоту каналізаційних стоків житлового будинку й теплоту ґрунту, з'явилася можливість одержати досвідченим шляхом деякі фізичні характеристики цієї установки. Протягом напівроку збиралися дані вимірів різних параметрів, і тепер можна реально побачити багато чого з того, про що колись можна було затверджувати тільки приблизно.