Книги по строительству и ремонту

Мастеру на все руки

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Тепловые насосы (8) в отопительном процессе могут использоваться в водо- и пароподогревателях. Еще несколько лет тому назад они представляли собой лишь ориентиры в экономии энергии. Сейчас они нашли уже довольно широкое применение. Однако не во всех случаях тепловые насосы позволяют экономить энергию. Особенно это касается тепловых насосов с электроприводом, которые потребляют значительное количество электроэнергии. Совсем по-другому обстоит дело при использовании двигателей внутреннего сгорания с дизельным или газовым топливом, равно как и абсорбционных тепловых насосов (9).

Принцип работы

Тепловой насос по принципу работы не отличается существенно от холодильника, где тепло с помощью вспомогательного источника энергии извлекается из объема охлаждаемого тела и передается в воздух помещения. Тепловой насос «качает»  энергию из окружающего воздуха, земли или воды и использует это тепло для подогрева воды и отопления. В зависимости от привода различают компрессионные и абсорбционные тепловые насосы.

Тепловой насос извлекает энергию из окружающей среды при относительно низких температурах. Для использования этой энергии при отоплении или паро- и водоподогреве температурный уровень энергии необходимо повысить. Это может быть сделано, например, путем сжатия пара.

Электрические компрессионные тепловые насосы осуществляют сжатие пара за счет электродвигателей небольшой мощности.

Газокомпрессионные тепловые насосы обеспечивают сжатие пара путем использования небольшого газового мотора.

Поскольку уносимое мотором тепло может вовлекаться в циркуляцию, осуществляемую тепловыми насосами, выработанная первичная энергия используется хорошо. Так, из 100% произведенной первичной энергии с учетом использования энергии окружающей среды можно получить до 160% полезной энергии (9).

Компрессионные тепловые насосы с дизельными моторами сравнимы с газовыми тепловыми насосами, однако здесь возникает проблема с отводом выхлопных газов.

Абсорбционные тепловые насосы, в сущности, отличаются от компрессионных тепловых насосов только элементами привода. Сжатие осуществляется не при помощи двигателя, а рабочим телом и теплом сгорания жидкого или газового топлива. Так как абсорбционные тепловые насосы почти не имеют подвижных элементов, они отличаются высокой долговечностью (большим рабочим ресурсом).

Абсорбционные тепловые насосы   весьма   перспективны для отопления жилых домов, поскольку их узлы невелики по размерам и в серийном производстве недороги.

Источники тепла

Все тепловые насосы используют тепло окружающей среды, источником которого, в конечном счете, является солнечное излучение. В результате сжатия испаряющейся жидкости насос переходит на высокий температурный уровень. Так как все же со снижением температуры окружающей среды расход электроэнергии сильно повышается, некоторые природные источники тепла не могут в течение всего года использоваться экономно.

Существуют следующие виды источников энергии тепловых насосов.

Воздух является основным источником энергии. Тепловые насосы, которые используют в качестве источника энергии наружный воздух, называются водовоздушными тепловыми насосами; в них источником энергии служит воздух, а рабочим телом — вода. Капитальные затраты при сооружении такой установки невелики, так как, кроме монтажа оборудования, надобность в других дополнительных работах отсутствует. Недостаток водовоздушного теплового насоса состоит в том, что его коэффициент преобразования (отношение произведенной энергии к подведенной) при снижении наружной температуры уменьшается (8). Вследствие этого работа такого насоса экономически оправданна при температуре наружного воздуха обычно не ниже +3°С. Некоторые насосы работают и при более низких температурах, однако расход энергии у них заметно увеличивается. Поэтому параметры котельной установки необходимо выбрать так, чтобы использовать все произведенное тепло.

Вода также может использоваться как источник тепла; как правило, это грунтовая вода, так как только на определенной глубине, . например, больше 10 м, в течение всего года ее температура постоянна и составляет около 10°С. В принципе можно было бы использовать речную или озерную воду, однако при этом не следует забывать о возникающих в зимнее время проблемах. Тепловые насосы, использующие в качестве источника тепла воду, называют водо-водяными тепловыми насосами.

Используемую тепловым насосом грунтовую воду откачивают из скважины с помощью насоса, охлажают в испарителе до 5°С и возвращают в сливную скважину.

Давление, под которым находится грунтовая вода, может создать эксплуатационные проблемы.

Использование  грунтовой

воды в тепловых насосах

обычно экономически оправ

данно. Инвестиционные

затраты здесь существенно

выше, по сравнению с водовоз-

душными тепловыми насосами,

из-за буровых работ, однако

этот источник тепла доступен в

течение всего года. При затяж

ных периодах необходимо пре

дусматривать дополнительное

отопление      посредством

кафельной печи.

При прокладке в грунте на глубине 1 +И:,5 м труб с циркулирующим рассолом (воды с антифризом) последние поглощают тепло земли, а для достаточного обеспечения помещения теплом в этом случае требуется по крайней мере удвоенная поверхность отопительных труб, что связано со значительными затратами.

Не следует исключать негативное воздействие такой системы обогрева на растительность, прежде всего на деревья, так как температура земли при отводе тепла понижается.

В принципе возможна комбинация теплового насоса солнечной батареей или абсорбером большой поверхности, сднако такая установка нецелесообразна в индивидуальном строительстве из-за высоких капитальных затрат.

Принцип действия

В зависимости от источника тепла насос может покрывать либо общую тепловую потребность жилья (однорежимный тепловой насос), либо только его часть (двухрежимный тепловой насос).

Это имеет большое значение для экономических расчетов. В однорежимных тепловых насосах в качестве источника тепла используются грунтовые воды. Так как тепловой насос должен покрывать всю потребность тепла в холодный период времени, его производительность должна быть достаточно большой, что определяет соответственно высокую стоимость.

В двухрежимных тепловых насосах в качестве источника энергии используется атмосферный воздух, и работа насоса экономически оправданна при температуре наружного воздуха не ниже +3°С.

Когда наружная темпера

тура опускается ниже этого

предела, тепловой насос авто

матически выключается, и

выработку тепла целиком осу

ществляет      отопительный

котел. При этом мощность теп

лового насоса может быть

меньше мощности котла при

мерно в 2 раза, а дополнитель

ный котел рассчитывается

таким образом, чтобы он мог

обеспечить потребность поме

щений в тепле в зимнее время

года.

Возможно использование однорежимных тепловых насосов совместно с котлом. При этом насосы используются постоянно, а при пиковых нагрузках, возникающих в самые холодные 1 - 2 месяца, недостающая часть тепла покрывается котловой отопительной установкой.

Пиковые потребности тепла могут покрываться также индивидуальными печами.

Экономическая эффективность

На вопрос об экономической эффективности использования тепловых насосов можно ответить лишь после детального исследования работы насоса того или иного типа, так как на нее оказывают влияние множество факторов.

Необходимо иметь в виду следующее соображение — установка теплового насоса требует финансовых затрат, но он экономит энергию. Установка насоса рентабельна, если экономия становится превалирующей. Тепловой насос может      быть      использован только для отопления, только для подготовки теплой воды либо для того и другого, что оказывает влияние на его экономическую эффективность.

Выгодны тепловые насосы водяного отопления, которые работают только на воздушном источнике тепла. Эти насосы особенно эффективны в тех случаях, когда обычные отопительные установки плохо используют энергию, а именно, в летнее время и в межсезонье. Расход энергии здесь зависит от потребителя, однако подача в большом количестве теплой воды сильно повышает расход электроэнергии. Однорежим-ные тепловые насосы без пиковых энергоустановок должны иметь высокую производительность. В этом случае стоимость оборудования будет относительно высока. Напомним, что однорежимные насосы работают лишь при использовании тепла подземных вод и земли. Для этого необходимо иметь две скважины, бурение которых требует значительных затрат. Прокладка в грунте большого числа труб стоит дорого, и, как правило, ее осуществляют только при новом строительстве.

Относительно низкими капиталовложениями отличаются воздушно-тепловые насосы, однако при этом, как упоминалось выше, необходима установка дополнительного отопительного котла.

Тепловые насосы имеют хорошие характеристики, когда разность рабочих температур невелика. Поэтому они выгодны в комбинации с низкотемпературными отопительными системами.

Ценность теплового насоса повышается, если он используется также для охлаждения помещения, поскольку при этом не требуется других охлаждающих устройств. Однако, поскольку потребность такого насоса в воздухе возрастает, применять его целесообразно в помещениях с большим объемом или поверхностью.