Тепловые насосы

  1. Прошлое и настоящее
  2. Преимущества
  3. Принцип работы
  4. Области применения
  5. Типы устройств
  6. Типы и параметры ИНТ и ПВТ
  7. Дополнительные сведения

Прошлое и настоящее

Тепловой насос в The Empire State Building

На сегодняшний день геотермальный тепловой насос (Geothermal Heat Pump или GHP система) является наиболее эффективной энергосберегающей системой отопления и кондиционирования. Геотермальные тепловые насосы получили широкое распространение в США, Канаде и странах Европейского Сообщества. GHP системы устанавливаются в общественных зданиях, частных домах и на промышленных объектах. Толчок к развитию GHP системы получили после энергетических кризисов 1973 и 1978 годов. В начале своего развития GHP системы устанавливались в домах высшей ценовой категории, но за счет применения современных технологий геотермальные тепловые насосы стали доступны многим американцам. Они устанавливаются в новых зданиях или заменяют устаревшее оборудование с сохранением или незначительной модификацией прежней отопительной системы. Геотермальный тепловой насос был установлен даже в широко известном небоскребе Нью-Йорка The Empire State Building.

К настоящему времени масштабы внедрения геотермальных тепловых насосов в мире ошеломляют:

Преимущества

Принцип работы

GHP система работает как котел при отоплении и как кондиционер при охлаждении. Работа теплового насоса осуществляется в компрессионно-конденсаторном цикле. Теплоноситель (обычно вода) подается из земли или водоема в тепловой насос, где низко-потенциальное тепло Земли отбирается и передается по системе воздуховодов или трубопроводов к потребителю. В качестве низкопотенциального источника тепловой энергии может быть использовано тепло как естественного происхождения (наружный воздух; тепло грунтовых, артезианских и термальных вод; воды рек, озер, морей и других незамерзающих природных водоемов), так и тепло техногенного происхождения (промышленные сбросы, очистные сооружения, тепло силовых трансформаторов и любое другое бросовое тепло). Цикл приводится в действие электрическим двигателем. Энергетический цикл можно представить несколько иначе. Электричество приводит в действие электродвигатель, от которого механический момент передается на компрессор. Инициируется термодинамический цикл и тепло, накопленное землей или водоемом, отбирается теплообменниками теплового насоса. Электрическая энергия затрачивается только на перекачивание жидкости, но ничего удивительного в получении дополнительной энергии нет, т.к. используется уже накопленное Землей тепло. Сегодня тепловые насосы выпускаются тепловой мощностью от 2 кВт до 200 МВт.

Работа зимойРабота летом
Тепловой насос зимой Тепловой насос летом
Зимой GHP система тепло неостывшей земли передает в дом. Этот же цикл используется и при нагреве воды. Летом GHP система излишки тепла в доме передает через теплообменник в обратном направлении.

Область применения тепловых насосов

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

Типы устройств

Геотермальный тепловой насос с открытым циклом (open loop)   Геотермальный тепловой насос с водоемным циклом (pond loop)
При активизации - тепловой насос с открытым циклом (64 кб) Тепловые насосы открытого цикла используют грунтовые воды как главный источник энергии. Теплоноситель подается непосредственно из водоема и после прохождения цикла охлажденным возвращается обратно. При идеальных условиях, использование ТН с открытым циклом может быть наиболее экономичным типом геотермальной системы.   При активизации - тепловой насос с водоемным циклом (66 кб) Тепловые насосы с закрытым водоемным циклом крайне экономичны, так как при установке используется доступный водоем, и отсутствуют затраты на земляные работы. Спирали труб просто помещаются на дно водоема.
Геотермальный тепловой насос с горизонтальным теплообменником (horizontal loop)   Геотермальный тепловой насос с вертикальным теплообменником (vertical loops)
При активизации - тепловой насос с горизонтальным теплообменником (69 кб) Тепловые насосы с горизонтальным теплообменником рассматриваются лишь при наличии поверхности необходимой площади. Замкнутый контур теплообменника укладывается горизонтально в глубокие траншеи, длина которых варьируется от 30 до 120 метров.   При активизации - тепловой насос с вертикальным теплообменником (66 кб) Замкнутый контур теплообменника устанавливается вертикально в подготовленные отверстия. Применяется в тяжелом грунте или при ограниченности пространства участка. Буровое оборудование используется для сверления отверстий малого диаметра на глубину 25-90 метров.

Типы и параметры ИНТ и ПВТ

В качестве ИНТ (источника низкопотенциального тепла) чаще всего выступают водопроводная вода, грунт, морская и речная вода, канализационные стоки и т.д. Широко используются низко-потенциальные ВЭР предприятий. Иногда между ИНТ и тепловым насосом необходимо применять промежуточный контур.

Сведения о некоторых ИНТ

ИНТ Среда промежуточного контура Температура источника, °С
Грунтовые воды вода 8..15
Грунт антифриз 2..10
Вода с водозабора вода 6..10
Речная вода антифриз 1..10
Канализационные стоки вода 10..17
Окружающий воздух воздух -8..15
Вытяжной воздух воздух 18..25

Большинство потребителей теплоты используют так называемую высокотемпературную теплоту. Температура теплоносителя в расчетный период составляет обычно не менее 95°С.

Сведения о ПВТ (потребитель высокотемпературной теплоты)

Система Примечание Расчетная температура ПВТ, °С
Отопление Теплые полы 25..35
Жилой дом 95-105
Промышленное здание 95-150
Горячее водоснабжение 50..55
Теплоснабжение вентиляции 95..150

Существующие тепловые насосы не могут поднять температуру теплоносителя до таких величин и в большинстве своем обеспечивают 50—55°С, а в некоторых случаях — до 63°С. Когда температура теплоносителя в расчетный период превышает 55°С, требуется специальная подготовка: повышение площади теплообмена или использование пиковых догревателей при низких наружных температурах.