Тепловые насосы

Тепло от источника низкой температуры (воды или воздуха) передается в испарителе к кипящему рабочему телу, пар которого при давлении Р0 направляется из испарителя И в компрессор нижней ступени КМ1, где сжимается до давления Рк1. После компрессора КМ1, рабочее тело распределяется двумя потоками. Один из них поступает в конденсатор К1. Другой поток поступает в компрессор КМ2 и сжимается до давления Рк2. Из компрессора КМ2 пар рабочего тела поступает в конденсатор К2, где нагревает теплоноситель от промежуточной температуры tпр до температуры t1. Из конденсатора К2 жидкое рабочее тело отводится в конденсатор К1 через дроссельный вентиль Д2. Весь поток конденсата поступает из конденсатора К1 через дроссельный вентиль Д1 в испаритель.

Режим работы теплонаносной  машины определяется режимом работы отопительной системы. При повышении наружных температур отопительного сезона работает только компрессор нижней ступени КМ1. При этом весь поток рабочего тела после компрессора КМ1 поступает в конденсатор К1, где нагревает теплоноситель до температуры t1. Теплонаносная машина регулируется с помощью регулятора температуры, воздействующего на дроссельный вентиль Д1.

При более низких температурах наружного воздуха  включается в работу компрессор КМ2 и конденсатор К2 второй ступени. Регулирование работы установки в диапазоне температур от tпр до температуры t1 осуществляется с помощью регулятора температуры, воздействующего на дроссельный вентиль Д2. Иногда верхняя ступень теплового насоса заменяется электрическим нагревателем, что снижает начальные затраты, но приводит к увеличению расхода электроэнергии.

Для круглогодичного  кондиционирования в южных районах (отопление зимой, кондиционирование  воздуха летом) распространение  получают мелкие теплонаносные автоматизированные агрегаты (кондиционеры с тепловым насосом) для обслуживания небольших одноквартирных домов и отдельных комнат. Эти установки очень компактны и используют наружный воздух в качестве источника низкой температуры. Реверсирование установки, то есть переход с холодильного режима на теплонаносный осуществляется изменением направления потока рабочего тела. В мелких установках, где в качестве дросселирующего органа служит капиллярная трубка, изменение потока жидкого рабочего тела не вносит каких-либо затруднений в эксплуатацию.

5. Пример  использования теплонаносной системы  для горячего водоснабжения жилого  дома

В Москве, в микрорайоне  Никулино-2 фактически впервые была построена теплонаносная система  горячего водоснабжения многоэтажного  жилого дома. Этот проект был реализован в 1998-2002 годах Министерством обороны РФ совместно с Правительством Москвы, Минпромнауки России, Ассоциацией "НП АВОК" и ОАО "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ" в рамках "Долгосрочной программы энергосбережения в г. Москве". Проект выполнен под научным руководством доктора технических наук, член-корреспондента РААСН Ю. А. Табунщикова.

В качестве низкопотенциального  источника тепловой энергии для  испарителей тепловых насосов используется тепло грунта поверхностных слоев  Земли, а также тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Такая система также допускает использование в качестве низкопотенциального источника тепловой энергии тепло сточных вод. Установка для подготовки горячего водоснабжения расположена в подвале здания. Она включает в себя следующие основные элементы:

- парокомпрессионные  теплонаносные установки (ТНУ);  
- баки-аккумуляторы горячей воды;  
- системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта и низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха;  
- циркуляционные насосы, контрольно-измерительную аппаратуру.

Основным теплообменным  элементом системы сбора низкопотенциального  тепла грунта являются вертикальные грунтовые теплообменники коаксиального  типа, расположенные снаружи по периметру  здания. Эти теплообменники представляют собой 8 скважин глубиной от 32 до 35 м каждая, устроенных вблизи дома.

Система сбора  низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха предусматривает  устройство в вытяжных вентиляционных камерах теплообменников-утилизаторов, гидравлически связанных с испарителями теплонаносных установок. В этом случае обеспечивается более глубокое охлаждение вытяжного воздуха и использование его тепла в тепловых насосах для получения горячей воды.

Система решена следующим образом. Из вентиляционных шахт удаляемый воздух собирается в коллектор и из него вытяжным вентилятором прогоняется через теплообменник-утилизатор, охлаждается и выбрасывается в атмосферу. Теплообменник-утилизатор связан с испарителем теплового насоса промежуточным контуром при помощи циркуляционного насоса. От конденсатора теплового насоса полезное тепло отводится в систему горячего водоснабжения.

Поскольку режим  работы тепловых насосов, использующих тепло земли и тепло удаляемого воздуха, постоянный, а потребление  горячей воды переменное, система  горячего водоснабжения оборудована баками-аккумуляторами.

5.1. От централизованного теплоснабжения – к тепловым насосам

В настоящее время  поиск путей по снижению энергопотребления  существующих зданий как за счет их реконструкции, так и привлечения  новых нетрадиционных источников энергии весьма актуален. Особый интерес представляют решения, позволяющие оптимизировать систему теплоснабжения зданий, поскольку именно на отопление и горячее водоснабжение тратится большая часть потребляемой зданием энергии.

Несмотря на то что централизованное теплоснабжение от ТЭЦ остается самым энергетически эффективным способом использования энергии топлива, крайне важен опыт реконструкции системы теплоснабжения существующего здания, присоединенного к тепловой сети, с возможностью полного от нее отключения при использовании тепловых насосов. Это нужно, потому что:

- во-первых, значительная доля зданий подключена не к ТЭЦ, а к районным котельным, эффективность теплоснабжения от которых остается крайне низкой. Сейчас эти здания иногда отключают от центральной котельной, установив в них местные газовые котлы. Но это не выход из ситуации, потому что здание, отсоединенное от тепловой сети, становится самым уязвимым узлом городской инфраструктуры и жестко зависит от наличия газа в газопроводе. Кроме того, при увеличении количества газовых котлов в конкретном районе общее потребление газа увеличивается, а этого допускать не следует, если исходить из интересов общества в целом, а не отдельных потребителей. В то же время использование теплового насоса в доме, отключенном от центральной котельной, способствовало бы, с одной стороны, сокращению потребления газа, а с другой – создавало бы элемент будущей энергетически эффективной системы, основанной на использовании теплоты окружающей среды.

во-вторых, необходим переход от слов об эффективности тепловых насосов к реализации конкретных проектов. И если в новом строительстве усадебных жилых домов с тепловыми насосами за последние годы наметился некоторый положительный сдвиг, то в городском строительстве этого не наблюдается, несмотря на то что огромная доля дорогостоящего природного газа сжигается для обеспечения теплом именно городских зданий.

В здании общежития аспирантов КиевЗНИИЭП (рис. 1) задача теплоснабжения от теплового насоса наполовину уже решена, поскольку горячее водоснабжение в нем обеспечивается работой теплового насоса, и именно для этого здания разработан рабочий проект модернизации системы теплоснабжения с возможностью ее отключения от тепловой сети.

Тепловой насос в  данном здании работает с 1998 года. Тогда на плоской кровле были установлены калориферы из отслужившего свой век центрального кондиционера, и они были единственным источником тепла, которое при помощи теплового насоса «вода – вода» преобразовывалось в теплоту, использующуюся в системе горячего водоснабжения в летний период.

В 2006 году система горячего водоснабжения здания была дополнена  новыми источниками тепла. В подвале  были установлены сточно-гликолевые теплообменники, в которых отнималось тепло сточных вод канализационной  системы, и грунтовые теплообменники, отбирающие тепло из расположенного непосредственно под пятном дома грунтового массива.

Позднее были проведены  исследования, которые позволили  оценить значения тепловых потоков  от этих теплообменников, что дает возможность осознанно тиражировать их не только на этом, но и на других зданиях.

Несмотря на то что  задача снабжения жителей общежития  горячей водой практически решена, попыткам обеспечить подобным образом  отопление препятствовал чрезмерно  высокий уровень тепловых потерь существующего здания. Достаточно взглянуть на здание (рис. 3), чтобы понять, что обогреть его тепловым насосом совершенно немыслимо: сплошное ленточное остекление, выполненное в старых конструкциях, именуемых попросту «столяркой», обеспечивает слабую теплозащиту и способствует избыточной инфильтрации, а термическое сопротивление кирпичных стен толщиной 51 см, облицованных керамической плиткой, в три раза меньше нормативных значений, регламентированных действующими нормами. Поэтому при реконструкции системы отопления необходимо обязательное выполнение работ по утеплению здания.

Рис. 3. Здание общежития аспирантов КиевЗНИИЭП, в котором работает тепловой насос.

В результате утепления здания и сокращения тепловых потерь на вентиляцию расчетная тепловая мощность отопительной системы уменьшилась с 192 до 51,3 кВт. Столь существенное уменьшение тепловой мощности позволяет не менять существующую систему отопления с радиаторами, работающими до реконструкции с расчетными температурами 95–70 °С и температурным напором 64,5 °С. Учитывая эти данные и то, что экспонента радиатора равна 1,4, находим новый температурный напор, который будет равен 25,1 °C.

Таким образом, при температуре в помещении 20 °С средняя температура теплоносителя  в существующей системе отопления хорошо утепленного дома должна быть 45 °С, а расчетные температуры теплоносителя в системе должны быть 43–47 °С. Это приемлемые температуры для пикового режима работы любого теплового насоса, и они значительно ниже предельных для одноступенчатых тепловых насосов температур 55 или 60 °С.

Проектная схема теплоснабжения здания от тепловых насосов представлена на рис. 3. Основным источником тепла для существующих фасадных отопительных систем (6, 7) служит тепловой насос (1), развивающий в пиковом режиме тепловую мощность 51,3 кВт при температурах охлажденной в испарителе жидкости 2 °С и подогретой в конденсаторе воды 47 °С. При этом коэффициент преобразования теплового насоса в этом режиме будет находиться на уровне 3,4–3,6. Предполагается, что в режиме переходного периода температура охлажденной в испарителе жидкости поднимется до 5 °С, а температура воды на выходе из конденсатора опустится до 40 °С, и в этом режиме коэффициент преобразования теплового насоса достигнет 4,4 при среднем за отопительный период значении около 3,9.

Рис. 4. Схема теплоснабжения здания от тепловых насосов.

Тепловой насос (1) будет использовать теплоту от четырех низкотемпературных источников. Теплота грунта отбирается от него теплообменниками (4). Часть теплообменников уже установлена. В действующей системе установлены 60 U-образных петель из полиэтиленовых трубок наружным диаметром 16 мм и общей длиной 360 м. Как показали исследования, в характерных для пикового режима температурных условиях теплоотдача 1 м такой трубы составила 26 Вт. Дополнительно будут установлены еще 90 U-образных петель, и общая длина трубок достигнет 900 м.

Кроме теплоты грунта, предполагается использовать теплоту вытяжного воздуха существующей гравитационной системы вентиляции здания. Для этого в специально установленной на чердаке камере будут расположены охладители вытяжного воздуха (8), через оребренные трубки которых будет циркулировать охлажденный в испарителе теплового насоса (1) гликоль. В этот же гликолевый контур будут включены и охладители фановых труб (9), на внутренней поверхности которых будут конденсироваться пары из влажного воздуха, удаляемого системой вентилирования канализационных трубопроводов. Теплота конденсации этих паров также будет использована для отопления здания.

Еще одним источником тепла для теплового насоса (1) будут солнечные коллекторы (10). Предполагается использование вакуумных коллекторов отечественного производства. Такие коллекторы могут работать используя не только прямое, но и рассеянное солнечное излучение. Вместе с тем зимой они будут работать в течение относительно непродолжительного времени.

Сточно-гликолевые теплообменники (5), предназначенные главным образом  для работы в системе горячего водоснабжения, смогут при необходимости работать и на систему отопления в период, когда для подогрева бытовой воды будет использоваться непиковая электроэнергия в часы действия льготного на нее тарифа.

Основным источником тепла для системы горячего водоснабжения (19) служит тепловой насос (11), развивающий тепловую мощность 27,1 кВт при температурах охлажденной в испарителе жидкости 3 °С и подогретой в конденсаторе воды 50 °C с коэффициентом преобразования 3,6–3,7. Мощность теплового насоса соответствует средней мощности потребления тепла системой горячего водоснабжения с учетом устранения максимальных нагрузок посредством использования существующих баков-накопителей (15).

Циркуляционный насос (13) подает в баки-накопители подогретую в конденсаторе теплового насоса воду в объеме, соответствующем мощности теплового насоса, а из холодного водопровода (20) поступает в эти баки вода в объеме потребления. В результате большая часть объема баков будет заполнена холодной водой к концу периода пикового водоразбора, в то время как перед началом этого периода баки будут наполнены горячей водой.