Теплові насоси в громадських будинках

До сьогоднішнього дня тепловий насос представлявся головним чином як агрегат або якась система, призначена в першу чергу для кондиціонування повітря, здатна також забезпечити певну опалювальну потужність, у більшій або меншій мірі задовольняючої потреби в теплі в зимовий період. Але характеристики цього обладнання стрімко міняються, і вже в багатьох країнах Європи тепловий насос перемінив, що називається, «орієнтацію»: першою справою є задовольняння потреби в теплі, а охолодження – потім. Більш того, досить часто тепловий насос уже використовується тільки для опалення.

Така зміна споживчої орієнтації обумовлена трансформацією підходів, що відбулася за останні два десятиліття західного миру:

· стурбованість якістю повітря, необхідністю рішення проблеми парникового ефекту, створюваного опалювальними системами;

· пошуком альтернативних екологічних рішень на зміну традиційному опаленню за допомогою спалювання викопного палива;

· підвищенням ефективності й надійності теплових насосів внаслідок еволюції рефрижераторних технологій, розробки нових спіральних (англ. - scroll) компресорів та ін.;

· зменшенням шкідливого впливу рефрижераторних систем на середовище внаслідок розробки нових холодоагентів HFC.

Перші два фактори найбільшою мірою сприяли росту уваги до використання альтернативних джерел енергії, зокрема, сонячної. Однак, незважаючи на багатообіцяючі результати, альтернативні джерела енергії поки ще не вийшли на рівень оптимальної відповідності очікуванням масового споживача.

У цьому смислі більші надії подають саме теплові насоси, їхнє поширення виражається вже досить значними цифрами. За прогнозом Світового енергетичного комітету до 2020 р. у передових країнах частка опалення й гарячого водопостачання за допомогою теплових насосів складе 75 % .

Для ефективної експлуатації теплових насосів (тобто для отримання високого КОП) одним з головних питань є знаходження доцільного низькотемпературного джерела енергії. Неправильний вибір джерела, або відсутність такого, щоб підходило для вирішення поставленої задачі, може привести до того, що КОП буде близьким до 2,0 і експлуатація такого теплового насоса буде економічно невиправданою.

Основними джерелами низькопотенційної теплоти для ТН є:

· Навколишнє повітря

· Вода

· Ґрунт

· Утилізована теплота

· Теплота від сонячних колекторів

В домашніх умовах найбільше поширення із самого початку їхнього застосування дістали теплові насоси з повітрям як джерелом тепла. В основному повітря ж є й тепловим стоком. Як джерело тепла повітря володіє рядом недоліків, тому потрібна ретельна оптимізація конструкції залежно від місця установки, де температура повітря може бути істотно різної.

Характеристики теплового насосу й особливо КОП зменшуються в міру збільшення різниці температур випарника й конденсатора. Це робить особливо несприятливий вплив на теплові насоси з повітряним джерелом тепла. У міру зниження температури навколишнього повітря кількість тепла, необхідного для опалення, підвищується, але здатність теплового насоса підтримувати навіть постійну теплову потужність істотно знижується. Для подолання цього недоліку часто застосовується додаткове нагрівання.

Для умов більшості країн Європи вартість теплового насоса з будь-яким джерелом тепла помітно вище, ніж звичайної центральної котельні. Чим більшу частку покриває тепловий насос у домашнім тепловому навантаженні, тим вище різниця в капіталовкладеннях, тому теплові насоси, як правило, розраховуються лише на частину річного теплового навантаження, а частину, що залишилася, дає додатковий нагрівач, звичайно електричний (у США) і на органічному паливі (у Європі). Вибір між ними визначається співвідношенням капітальних і експлуатаційних витрат. Якщо тепловий насос забезпечує й повітряне кондиціонування влітку, його розміри й потужність можуть диктуватися саме цим застосуванням.

Додаткове нагрівання потрібно, коли температура навколишнього повітря впаде нижче нуля, при цьому теплові втрати будинку перевершують теплову потужність насоса., Встановлення додаткового електричного нагрівача для підвищення економічної ефективності системи, рекомендується тільки тоді, коли тепловий насос не може покрити повне навантаження.

У тих випадках, коли доступна вода, вона має кілька переваг у порівнянні з повітрям. Наприклад, вода з артезіанського колодязя навіть взимку має температуру не нижче ніж 4^оС, а для роботи випарника ТН достатньо температурного перепаду цієї води 1-2^оС. Але випадки коли в наявності є дешеве джерело води достатньої якості (що не забруднює випарник) досить рідкі.

Температура ґрунту та гірських порід біля поверхні Землі визначається балансом теплової енергії, що надходить від Сонця та тепловим випромінюванням земної поверхні. Теплова енергія, що надійшла від Сонця, акумулюється в шарі ґрунту осадових та гірських порід на глибинах до ізотермічної поверхні. Шар ґрунту між глибиною промерзання та ізотермічною поверхнею може розглядатися як природний сезонний акумулятор теплової енергії, причому енергія, відведена в зимовий період буде відновлюватись в теплий період року; це стосується і ґрунтових вод, що насичують вищевказаний шар ґрунту та осадових порід.

Теплова енергія ґрунту та ґрунтових вод може використовуватися для обігріву та вентилювання приміщень. Температура теплоносія в ґрунтовому теплообміннику становить від мінус 5-7 до плюс 10-12°С і є придатною для виробництва теплоносія з температурою 40-70°С за допомогою теплових насосів. Досвід провідних країн свідчить, що енергію ґрунту найчастіше використовують в теплонасосних установках потужністю до 70-100 кВт.

Великий інтерес до використання ґрунту як джерела тепла проявляється в Європі. Конструкція випарника пропонується у формі серпантину (рис. 5.7) із трубок діаметром близько 25 мм, покладених на постійній глибині на площі в кілька сотень квадратних метрів. З метою зменшення капітальних витрат трубки розташовуються якнайближче до поверхні. Була виявлена така цікава деталь. Мінімум температури ґрунту завжди вище, ніж повітря, і досягається двома місяцями пізніше, коли необхідна потужність опалення знижується.

Рис. 5.7 Теплонасосна установка з горизонтальним ґрунтовим випарником

Вивчення ґрунту як джерела тепла, проведене в Європі, показало, що тепловий потік до випарника із ґрунту становить 20-25 Вт/м, мінімальне значення для Європи становить 10 Вт/м, максимальне 50-60 Вт/м.

Оптимальна глибина й крок розміщення трубок становлять відповідно 1,5 і 2 м. У деяких випадках через взаємний вплив межа 2 м розширюється. Трубки можна розміщати на меншій глибині, але при цьому продуктивність теплового насоса може знижуватися на 5% на кожний градус зниження температури випарника.

Крім варіанту безпосереднього випару холодоагенту можна використати проміжний теплоносій – розсіл, що циркулює по трубках у ґрунті й віддає тепло холодоагенту в спеціальному теплообміннику. Середня температура розсолу взимку складає -3° С.

Якщо вміст води в ґрунті великий, показники підвищуються завдяки збільшенню теплопровідності й гарному контакту із трубками. Більша концентрація в ґрунті гравію викликає погіршення характеристик.

Ґрунтові теплообмінники у вертикальних свердловинах в останні 15-20 років широко застосовуються як низькотемпературне джерело тепла для систем опалення й гарячого водопостачання з використанням теплових насосів. Це екологічно чисте джерело тепла досить часто використовується, наприклад, у Швейцарії, де експлуатується більше, декілька тисяч таких установок (рис. 5.8). Вертикальні трубки займають менше місця й дозволяють використовувати тепло, акумульоване в літні місяці, що дає їм економічні переваги. Дослідження вертикальних U-образних трубок показали можливість значного добування тепла. Горизонтальний випарник із площі 150-200 м дозволяє одержати 12 кВт тепла. U-образні трубки, розміщені в свердловинах діаметром 127 мм і глибиною 8 м, дозволили одержати 12 кВт тільки із двох свердловин. Звідси видно, що U-образні трубки знижують необхідну поверхню ґрунту в 10-20 разів у порівнянні з горизонтальними.

Рис. 5.8 Теплонасосна установка з вертикальним ґрунтовим випарником.

Активно досліджується використання скидного тепла або сонячних колекторів, до яких проявляється інтерес і в Європі й в Америці. Всі джерела тепла для теплових насосів тією чи іншою мірою піддані впливу сонячної енергії, але її можна використати й безпосередньо за допомогою сонячних колекторів із циркуляцією теплоносія. Разом з іншими джерелами тепла для теплових насосів широко застосовують плоскі колектори, розміщені на дахах. Даючи тепло у випарник при температурі більш високій, ніж навколишнє повітря, ґрунт або вода, сонячні колектори підвищують КОП теплового насоса. Звичайно проміжний теплоносій - вода передає тепло від колектора до випарника. Але може бути й повне сполучення колектора з випарником, де холодоагент випаровується безпосередньо усередині трубок сонячного колектора.

Часто тепло від сонячного колектора подається в рідинний тепловий акумулятор, куди занурені трубки випарника. Тепловий акумулятор відіграє значну роль у будь-якій сонячній теплонасосній системі. На рис. 5.9 показаний вплив температури акумулятора на КОП.

Була запропонована схема будинку з мінімальним споживанням енергії, що використовує три теплових насоси: один для передачі тепла з підвищенням температури від сонячного колектора до акумулятора, другий - від акумулятора до системи опалення й третій - від акумулятора до системи гарячого водопостачання.

Сонячні колектори розглядають також у сполученні із ґрунтовими. Одна з подібних схем наведена на рис. 5.10, де сонячний колектор і ґрунтовий випарник доповнюють один одного. Установлено, що розміри сонячного колектора повинні бути більше 3 м² на 1кВт втрат тепла житлом. При сонячному колекторі площею 30м³ із ґрунтовим випарником, що займає тільки 100 м², досягається КОП = 3,4. Якщо ж використати тільки ґрунтовий випарник, то потрібна поверхня 300 м², і при цьому КОП = 2,7.

Проте, може виявитися, що незважаючи на підвищення КОП, економія палива може не окупити вартість установки, особливо сонячного колектора. Інші роботи в цій області показують, що при тепловій потужності ТНУ 6 кВт потрібна поверхня 20 м^2.

Крім того, ТНУ може використати теплові скидання самого житла, наприклад, гази що йдуть з кухонних печей або взагалі з кухні, скидну воду. У Голландії ТН був застосований для домашньої сушарки посуду. Тепло вологого повітря, що викидається, використовується для підігріву сухого повітря, подаваного в сушарку. Тепле вологе повітря із сушарки проходить у випарник ТН і прохолоджується. При охолодженні з нього випадає волога, і повітря стає придатним для рециркуляції. У випарнику використовується як явна, так і прихована теплота повітря. Рециркулююче повітря проходить крізь конденсатор і нагрівається теплотою конденсації. Економія енергії досягає близько 48%.