Тепловые насосы

Введение

 

История существования  гидравлических машин насчитывает  несколько тысячелетий. Первый насос  был поршневым, появился, по-видимому, за несколько веков до нашей эры  в странах древней культуры. Изобретение  этого насоса связано с созданием  водоподъемных устройств. Поршневой насос был хорошо известен в Древней Греции и Риме.

Изобретение центробежного  насоса приписывается итальянцу  Д. Жордану, давшему первый рисунок  такого насоса. Одной из первых удачных  конструкций центробежного насоса является насос французского физика Д. Папена, предложенный им в 1689 г. Первой примененной в практике машиной для подачи жидкости действием центробежной силы был насос Ледемура (Франция, 1732 г.). В этой конструкции вода, находящаяся в наклонной трубе, вращающейся вокруг вертикальной оси, перемещалась с нижнего уровня на верхней действием центробежной силы самой воды. Таким образом, достигалась подача воды на некоторую высоту.

Классическая  схема и конструкция одноколесного  центробежного насоса, применяющегося в различных модификациях и поныне, была осуществлена Андревсом (США) в 1818 г. и существенно улучшена им в 1846 г. Исследования Андеревса привели к созданию многоступенчатого центробежного насоса, однако весьма несовершенной конструкции, запатентованной в 1851 г.

Знаменитый ученый Рейнольдс (Англия), исследуя конструкцию многоступенчатого насоса, ввел в нее прямой и обратный направляющие лопаточные аппараты и в 1875 г. запатентовал насос, в общих чертах аналогичный современным многоступенчатым насосам.

Широкое распространение центробежных насосов стало возможным только на основе применения электрической энергии и, в частности, при использовании электродвигателя трехфазного переменного тока, разработанного инженером В. О. Доливо-Добровольским (Россия, 1888 - 1889 гг.) К этому времени относится изобретение русским инженером В. А. Пушечниковым специального малогабаритного насоса для подъема подземных вод с больших глубин.

В России внедрение  насосов в промышленность непосредственно  связано с развитием горно-рудного  дела. В 18 в. К. Д. Фролов и другие мастера горного дела применяли установки с поршневыми насосами для откачки воды из шахт.

В 18 в. был изобретен  паровой двигатель. В 1738 г. Д. Бернулли вывел основополагающее уравнение  жидкости, которое носит его имя. В 1750 г. Л. Эйлер впервые сделал математический анализ рабочего процесса, происходящего в центробежном насосе и реактивной турбине, и дал основное уравнение рабочего процесса турбомашин.

Примерно с  начала 20-х годов 19-го века изменилось само назначение насосов. Если первоначально они предназначались только для подъема воды, то с этого времени они все шире применяются для перемещения жидкостей с различными вязкостью и концентрацией взвешенных частиц, а также химических жидкостей с различными степенью агрессивности и температурой.

Машины для  перемещения воздуха и газов  появились значительно позже  насосов. Изобретателем воздушного поршневого нагнетателя - прототипа  современных компрессоров с одной  ступенью сжатия - считается немецкий физик О. Герике(1640г.).

В настоящее время отечественная промышленность выпускает насосы всех типов, необходимые для народного хозяйства страны, начиная от миниатюрных микронасосов для медицинской техники и кончая гигантскими осевыми насосами для ирригационных систем и энергетики.

Модернизация конструкции насосов направлена на снижение металлоемкости при одних и тех же параметрах насосов, обеспечение наибольшей унификации узлов и деталей насосов, что позволяет расширять номенклатуру насосов без существенных дополнительных затрат на их производство. Большое внимание уделяется повышению качества и надежности насосов, что позволяет экономить энергетические ресурсы и снижать трудоемкость их эксплуатации и ремонта.

1. Понятие  теплового насоса, классификация  и область применения

Тепловой насос - термодинамическая установка, в которой теплота от низкопотенциального источника передается потребителю при более высокой температуре. При этом затрачивается механическая энергия.

Тепловой насос - устройство для переноса тепловой энергии от источника с более низкой температурой к источнику с более высокой температурой или, позволяющее посредством затрат электрической энергии использовать низкотемпературную тепловую энергию грунта, воздуха, воды, хозяйственно-бытовых стоков, шахтных вод, промышленных сбросов и многого другого для получения теплоносителя пригодного для тепло- и хладоснабжения помещений, зданий, сооружений. При этом затрачивая 1 кВт·ч электроэнергии на работу насоса можно получить около 2,5-3,5 кВт·ч тепловой энергии.

Тепловой насос, как источник тепловой энергии для отопления и ГВС, применяется по следующим причинам:

• по экономическим - позволяет значительно снизить расход денежных средств по сравнению с электроотоплением, а при определенных факторах конкурировать с теплоснабжением от централизованных систем (котельных, ТЭЦ);
• по экологическим - по сравнению с другими источниками тепловой энергии не выделяет вредных веществ;
• простота обслуживания - не требуется более одного оператора в смену;
• не требуется масштабная реконструкция систем отопления и ГВС помещений, зданий, сооружений.

Тепловые насосы для нужд отопления стали применяться довольно давно, а в некоторых зарубежных странах их доля в теплоснабжении соизмерима с теплоснабжением от централизованных систем (котельных, ТЭЦ).

Линейка мощности тепловых насосов довольно разнообразна. Можно обеспечить теплоснабжение частного дома, а при использовании двух и более тепловых насосов - крупных районов и промышленных предприятий. Главным обстоятельством при реализации таких проектов является наличие источника низкотемпературной тепловой энергии и экономическая эффективность самого проекта.

Популярность тепловых насосов возникла из-за того, что тепловая энергия получается непосредственно на месте установки оборудования. Если сравнивать с централизованными системами теплоснабжения, то не требуется протяженных тепловых сетей до потребителя, источник теплоснабжения располагается непосредственно на месте или в близком расположении от потребителя.

Большую перспективу представляет использование тепловых насосов в системах горячего водоснабжения (ГВС) зданий. Известно, что в годовом цикле на ГВС расходуется примерно столько же тепла, как и на отопление зданий. Примером здания, в котором тепловые насосы использованы для ГВС, является многоэтажный жилой дом, построенный в Москве в Никулино-2. В этом здании в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используется тепло земли и тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Подробно эта система будет рассмотрена ниже.

Источником низкопотенциальной тепловой энергии может быть тепло как естественного, так и искусственного происхождения. В качестве естественных источников низкопотенциального тепла могут быть использованы:

• тепло земли (тепло грунта);  
• подземные воды (грунтовые, артезианские, термальные);  
• наружный воздух.

В качестве искусственных  источников низкопотенциального тепла  могут выступать:

• удаляемый  вентиляционный воздух;  
• канализационные стоки (сточные воды);  
• промышленные сбросы;  
• тепло технологических процессов;  
• бытовые тепловыделения.

Таким образом, существуют большие потенциальные  возможности использования энергии  вокруг нас, и тепловой насос представляется наиболее удачным путем реализации этого потенциала.

Ранее тепловой насос использовался  в первую очередь для кондиционирования (охлаждения) воздуха. Система была способна также обеспечить определенную отопительную мощность, в большей или меньшей степени удовлетворяющую потребности в тепле в зимний период. Однако характеристики этого оборудования стремительно меняются: сейчас во многих странах Европы тепловые насосы используются в отоплении и ГВС. Такое положение связано с поиском экологичных решений: вместо традиционного сжигания ископаемого топлива - использование альтернативных источников энергии, например, солнечной. Для массового потребителя одним из наиболее предпочтительных вариантов использования нетрадиционных источников энергии является использование низкопотенциального тепла посредством тепловых насосов.

Существуют разные варианты классификации тепловых насосов. Ограничимся делением систем по их оперативным функциям на две основных категории:

• тепловые насосы только для отопления и/или горячего водоснабжения, применяемые для  обеспечения комфортной температуры  в помещении и/или приготовления  горячей санитарной воды;

• интегрированные  системы на основе тепловых насосов, обеспечивающие отопление помещений, охлаждение, приготовление горячей  санитарной воды и иногда утилизацию отводимого воздуха. Подогрев воды может  осуществляться либо отбором тепла  перегрева подаваемого газа с компрессора, либо комбинацией отбора тепла перегрева и использования регенерированного тепла конденсатора.

Тепловые насосы, предназначенные исключительно  для приготовления горячей санитарной воды, зачастую в качестве источника  тепла используют воздух среды, но равным образом могут использовать и отводимый воздух.

Следует отметить, что постепенно увеличивается предложение  тепловых насосов класса реверсивные "воздух-вода", чаще всего поставляемых в комплекте с расширительным баком и насосным агрегатом. По отдельному заказу поставляется накопительный резервуар. Такие насосы можно врезать непосредственно в существующие водопроводные системы.

В Германии и  других странах Северной Европы распространены тепловые насосы, которые используют тепло, содержащееся в грунте. Диапазон тепловой мощности разработанных моделей самый широкий - от 5 до 70 кВт.

По данным на 1997 год из 90 млн. тепловых насосов, установленных  в мире, только около 5 %, или 4,28 млн. аппаратов, смонтировано в Европе. Совсем немного  по сравнению с 57 млн. систем, имеющихся в Японии, где такое оборудование является основным в обеспечении отопления жилого фонда. В Соединенных Штатах насчитывается 13,5 млн. установленных агрегатов, а еще только развивающийся китайский рынок достиг уровня 10 млн. систем. Подобное нерасположение Европы имеет свои причины, однако в последнее время отношение к тепловым насосам меняется. Примерная оценка числа тепловых насосов, установленных в главных странах Сообщества в жилом фонде, торгово-административных и промышленных сооружениях, приводится в табл. 1. Основную долю составляют страны Южной Европы: Испания, Италия и Греция.

Таблица 1

Количество  тепловых насосов установленных  в Европе, по данным на 1996год

Страна	Жилой фонд*	Торгово-административный фонд	Промышленный фонд**	Всего на 1996год
Австрия	133100	4300	нет данных	137400
Дания	31300	2000	1000	34300
Франция	53000	61000	675	114675
Германия	363120	5300	300	368720
Греция	570840	266220	нет данных	837060
Италия***	800000	20000	нет данных	820000
Голландия****	2856	136	159	3151
Норвегия	13500	6400	726	20626
Испания	802000	411000	7390	1200390
Швеция	250000	нет данных	нет данных	250150
Швейцария	39500	3400	нет данных	42900
Англия	13900	414060	600	428560
Всего	3073116	>1193816	>11000	>4277932

* в том числе водяные отопители; ** в том числе районные системы; *** ориентировочно; **** только отопление

 

В жилом фонде  имеется 3 млн. установленных тепловых насосов. Однако по степени охвата показатель небольшой - около 1 %. Хотя очевидно, что  установленные в торгово-административном фонде 1,2 млн. агрегатов, составляя абсолютное наименьшее значение, будут иметь несколько больший охват.

Примерно 77 % установленных  в Европе тепловых насосов используют наружный воздух в качестве источника  тепла, хотя в Швеции, Швейцарии и Австрии преобладают тепловые насосы, забирающие тепло из грунта по заглубленному змеевиковому теплообменнику: данные по этим странам составляют соответственно 28, 40 и 82 %. В Северной Европе зачастую тепловые насосы применяются только для отопления и приготовления горячей санитарной воды.

Уровень продажи  тепловых насосов на 10000 жителей в 2008 году можно оценить по диаграмме.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Развитие общего объема типов  тепловых насосов в Финляндии  можно оценить по следующему графику:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Источники  низкопотенциальной тепловой энергии

Тепловой насос  предназначен для использования  энергии, получаемой от источника тепла  низкой температуры. Тепловые, энергетические и экономические характеристики тепловых насосов тесно взаимосвязаны  с характеристиками источников, из которых насосы берут тепло. Идеальный источник тепла должен давать стабильную высокую температуру в течение отопительного сезона, не быть коррозийным и загрязняющим, иметь благоприятные теплофизические характеристики, не требовать существенных инвестиций и расходов по обслуживанию. В большинстве случаев имеющийся источник тепла является ключевым фактором, определяющим эксплуатационные характеристики теплового насоса.

В качестве источников тепла в небольших системах на базе тепловых насосов широко используются наружный и отводимый воздух, почва и подпочвенная вода, для систем большой мощности применяются морская, озерная и речная вода, геотермические источники и грунтовые воды.

2.1. Воздух

Наружный воздух, будучи совершенно бесплатным и общедоступным, является наиболее предпочитаемым источником тепла. Тем не менее тепловые насосы, применяющие именно воздух, имеют фактор сезонной нагрузки (SPF) в среднем ниже на 10-30 % по сравнению с водяными тепловыми насосами.