Монтаж и сервис оборудования по использованию возобновляемых источников энергии. Том 4. Монтаж и сервис тепловых насосов

ПОЧАНИН Ю.С.

МОНТАЖ И СЕРВИС ОБОРУДОВАНИЯ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Том 4. Монтаж и сервис тепловых насосов

В земле находится огромное количество тепла. Данное тепло исходит из двух источников: внутреннего и внешнего. Внешний источник тепла питается за счет тепловой энергии солнца и дождя: на практике влияние этого источника ощущается в грунте на глубине до 15 м. Внутренним источником тепла является энергия распада радиоактивных элементов, присутствующих в земной коре. На практике влияние данного источника начинает сказываться на глубинах свыше 20 м, и это тепло классифицируется как геотермальное. Геотермальная энергия, в отличие от других видов энергии (таких как энергия солнца, ветра

или моря), не зависит от состояния атмосферы, а также от запасов топлива. Это стабильный и удобный в использовании вид энергии. Известно, что на глубине 4-5 м и более температура грунта в течение года практически постоянна и соответствует среднегодовой температуре атмосферного воздуха.

Устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой называется тепловым насосом. Использование низкопотенциального тепла Земли посредством тепловых насосов возможно практически повсеместно и в настоящее время это одно из наиболее динамично развивающихся направлений использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета к 2020 г. 75% теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов. Этот прогноз успешно подтверждается. В настоящее время в мире работает порядка 20 млн. тепловых насосных установок (ТНУ) различной мощности – от нескольких киловатт до сотен мегаватт. На сегодняшний день тепловые насосы широко применяются во всем мире. Количество тепловых насосов, работающих в Японии, Европе и США исчисляется десятками миллионов штук. Производство тепловых насосов в каждой стране, прежде всего, ориентировано на удовлетворение потребностей внутреннего рынка. В Японии и США наибольшее применение получили тепловые насосы класса «воздух-воздух» для отопления и летнего охлаждения воздуха. В Европе – тепловые насосы класса «вода-вода» и «вода-воздух». В США исследованиями и производством тепловых насосов занимаются более шестидесяти фирм. В Японии ежегодный выпуск тепловых насосов превышает 500 тысяч единиц. В Германии ежегодно вводится более 5 тысяч установок. В Швеции и странах Скандинавии эксплуатируются, в основном, крупные тепловые насосные установки. В Швеции уже к 2000 году эксплуатировалось более 110 тысяч теплонасосных станций (ТНС), 100 из которых имели мощность около 100 МВт и выше. Наиболее мощная ТНС-320 МВт работает в Стокгольме, использующая в качестве источника низкопотенциального тепла (ИНТ) воду Балтийского моря. Эта установка, расположенная на причаленных к берегу баржах, охлаждает зимой морскую воду от 4°С до 2 °С. Количество тепла, вырабатываемого теплонаносными установками в Швеции, уже составляет около 50% от потребного.

В США, по данным 2017 г., более 13 млн частных домовладений применяют тепловые насосы для отопления.

В Японии широко распространены воздухо-воздушные реверсивные ТНУ круглогодичного кондиционирования воздуха, мощностью от 1,2 до 16,5 кВт. В эксплуатации находится несколько миллионов подобных ТНУ.

В Германии в эксплуатации находятся около 1 млн. ТНУ. Они используются в водяных системах отопления, а также в воздушных системах отопления и кондиционирования воздуха. В качестве источников теплоты используются воздух наружный и вытяжной, грунт, вода и т.д. Крупные ТНУ работают, как правило, в системе центрального теплоснабжения.

Опыт стран, занимающих лидирующее положение в применении тепловых установок показал, что их целесообразно использовать при переходе к децентрализованным системам теплоснабжения (без протяженных дорогостоящих тепловых сетей), когда тепловая энергия генерируется вблизи ее потребителя.

Тепловые насосы (ТН) нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, жилом и общественном секторах:

– в общественных зданиях с кондиционированием воздуха обычно применяют реверсивные тепловые насосы, обеспечивающие охлаждение воздуха в теплый период и нагревание в холодный период года;

– в жилищно-коммунальном секторе с помощью ТН может осуществляться автономное

теплоснабжение коттеджей и отдельных зданий для отопления и горячего водоснабжения, а также осуществляется кондиционирование в летний период года;

– на промышленных предприятиях различных отраслей ТН применяют для утилизации теплоты низко потенциальных технологических выбросов, водооборотных систем и стоков, с целью использования такого тепла для теплоснабжения, отопления и горячего водоснабжения. При необходимости используется и вырабатываемый тепловыми насосами холод

Идеальный вариант для ТН – наличие вблизи от потребителя источника сбросного тепла промышленного или коммунального предприятия. В качестве довольно универсального источника низко потенциального тепла можно использовать теплоту грунта.

Основу эксплуатируемого сегодня в мире парка тепло-насосного оборудования составляют парокомпрессионные тепловые насосы, но применяются также и абсорбционные, электрохимические и термоэлектрические. Статистика производства тепловых насосов типа грунт-вода и воздух-вода за последние 8 лет представлена на рис.1.

По объемам производства установок лидируют США и Китай. Первые – благодаря качеству продукции, вторые – из-за низкой стоимости. Количество проданных тепловых насосов в 2015 г. по странам ЕС представлено на рис. 2. В настоящее время в развитых странах ведутся разработки новых моделей и технологий использования тепловых насосов. Так, например, японские производители создали тепловые насосы «воздух— вода», приспособленные к работе в холодном климате. Они сохраняют высокую тепловую производительность при температуре наружного воздуха до -15°C. Для обеспечения работы при минусовых температурах используются различные решения, предотвращающие обледенение. Среди них, тепло аккумуляторы, обогрев через байпасный контур, нагревательные спирали. Технология парожидкостного впрыска позволяет поддерживать поток хладагента на необходимом уровне даже при очень низкой температуре наружного воздуха.

Рис.1 Статистика производства тепловых насосов

Рис.2 Количество проданных тепловых насосов в 2015 г. по странам ЕС

Разработаны модели двойного действия – появились реверсивные тепловые насосы «воздух— вода», способные не только нагревать, но и охлаждать воду. Это решение обеспечивает максимальный комфорт как в зимнее, так и в летнее время.

Появились модели тепловых насосов «воздух— вода» могут иметь два контура и способны обслуживать сразу два помещения с различной потребностью в обогреве. Обеспечивая подачу двух потоков воды с разной температурой, они могут использоваться как для независимого обогрева, так и для охлаждения двух помещений или зон одного помещения. Объединение тепловых насосов «воздух— вода» с фотоэлектрическими панелями позволяет более эффективно использовать электроэнергию, вырабатываемую солнечными панелями, управляя энергопотреблением теплового насоса.

В районах с холодным климатом, таких как Северная Европа, где температура наружного воздуха может опускаться до – 40°С, эффективным способом получения горячей воды могут стать гибридные системы, объединяющие газовый котел и тепловой насос «воздух— вода». Уже установленный котел можно использовать для эффективного дополнительного нагрева. Ряд производителей представил на рынке интеллектуальные системы управления, позволяющие подключить тепловой насос к действующей системе отопления и горячего водоснабжения на базе газового котла. Если условия не позволяют использовать тепловой насос, включается газовый котел, обеспечивая непрерывное функционирование системы теплоснабжения.